Der Werkstoff Aluminium - alu-am-bau.ch

Merkblatt

W 1

Aluminium-Zentrale

Der Werkstoff Aluminium

02

■ Der Werkstoff Aluminium W 1

1. Einleitung 03

2. Rohstoffe und Lagerstätten 04

3. Aluminiumgewinnung 053.1 Gewinnung des Aluminiumoxids 053.2 Aluminiumgewinnung durch 05

Schmelzflusselektrolyse

4. Aluminiumerzeugnisse 07und Lieferformen

4.1 Hüttenaluminium 074.2 Sekundäraluminium 074.3 Aluminiumhalbzeug 094.3.1 Walzerzeugnisse 094.3.2 Strangpresserzeugnisse 094.3.3 Gezogenes 10

Aluminiumhalbzeug 4.3.4 Schmiedestücke 104.4 Aluminium-Verbundwerkstoffe 104.5 Halbzeug ähnliche 11

Aluminiumerzeugnisse

5. Werkstoffeigenschaften 125.1 Chemische Eigenschaften 125.2 Physikalische Eigenschaften 125.3 Mechanische Eigenschaften 13

6. Formteile 196.1 Urformverfahren 196.1.1 Gießen 196.1.2 Sintern 196.2 Umformen 196.2.1 Warmumformen 196.2.2 Kaltumformen 19

7. Spanende Bearbeitung 20

8. Trennverfahren 20

9. Fügeverfahren 209.1 Mechanische Fügeverfahren 209.1.1 Nieten 209.1.2 Schrauben 219.1.3 Schnappverbindungen 229.1.4 Verbinden durch Umformen 229.2 Schweißen 239.2.1 Schmelzschweißen 239.2.2 Pressschweißen 249.3 Löten 259.4 Kleben 25

10. Oberflächenbehandlung, 26Oberflächenschutz

10.1 Mechanische Oberflächen- 26behandlung

10.2 Chemische Oberflächen- 26behandlung

10.3 Chemische Oxidation 2610.4 Anodische Oxidation 2610.5 Beschichtete Oberflächen 27 10.6 Verschleißfeste Oberflächen- 27

schichten auf Aluminium 10.7 Metallüberzüge 27

11. Anwendung von Aluminium 27

12. Aluminium im Zusammenhang 32mit Ökologie und Gesundheit

12.1 Aluminium und Ökologie 3212.1.1 Klimaschutz 3212.1.2 Ressourcenschonung und 32

Kreislaufwirtschaft 12.2 Aluminium und Gesundheit 3312.2.1 Aluminiumverbindungen und 33

Nahrungsaufnahme 12.2.2 Äußere Anwendungen 3412.2.3 Metallische Aluminiumprodukte 3412.2.4 Die Alzheimerkrankheit 34

Anhang 35

Inhaltsverzeichnis

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Merkblatt

Dieses Merkblatt dient als Einstieg in die interessante Weltdes Aluminiums. Detailliertes Wissen enthalten die wei-terführenden Merkblätter der vormaligen Aluminium-Zen-trale, die inzwischen in den GDA eingegangen ist, oder dasAluminium-Taschenbuch. Gestützt auf eine umfassendeFachbibliothek und Dokumentation sowie durch in Sonder-drucken vorliegendes Fachschrifttum können technischeEinzelfragen von der Aluminium-Zentrale im GDA beant-wortet werden.

1. Einleitung

Nachdem es 1886 gelungen war, Aluminium mit Hilfe derSchmelzflusselektrolyse in großtechnischem Maßstab her-zustellen, hat sich dieser Werkstoff rasch zu einem derwichtigsten Gebrauchsmetalle entwickelt. Es gibt guteGründe dafür, in Aluminium das vielseitigste aller Metallezu sehen:

■ In Gestalt einer weit gespannten Palette von genormtenund nicht genormten Gusslegierungen eignet sich Alu-minium für alle bekannten Formgießverfahren, unterdenen das Druckgießverfahren besonders hervorzuhe-ben ist. Abwandlungen dieser Gießverfahren mit demZiel verbesserter mechanischer Eigenschaften oder ra-tionellerer Herstellung sind mittlerweile mit Erfolg indie industrielle Praxis eingeführt worden.

■ Bei guter Eignung für übliche, metallspezifische Warm-und Kaltumformverfahren wie Walzen, Ziehen, Fließ-pressen, Schmieden usw. kommt bei Aluminium undvielen seiner Legierungen die hervorragende Strang-pressbarkeit hinzu. Dank der vielfältigen Gestaltbarkeitdes Strangpressprofils werden kostengünstige und ele-gante, konstruktive Lösungen möglich.

■ Reines Aluminium lässt sich sehr gut verformen und zusehr dünnen Folien auswalzen.

■ Aluminiumlegierungen sind gut umformbar, teilweisesogar superplastisch umformbar.

■ Eine Reihe von Aluminium-Konstruktionslegierungener-reicht Festigkeitswerte, die teilweise diejenigen von Bau-stählen übertreffen; damit eröffnet Aluminium demLeichtbau von Tragstrukturen ein weites Feld.

■ Aluminium eignet sich als Matrix für hochfeste Faser-verbundwerkstoffe.

■ Aluminiumpulver dient (abgesehen von pyrotechnischenZwecken) als Pigment für „Metallic“-Lacke und ist Aus-gangsstoff für pulvermetallurgische Anwendungen.

■ Die Möglichkeiten der Oberflächenveredelung durchanodische Oxidation, auch in Verbindung mit Glänzen,schaffen vielseitige, dauerhafte und dekorative, auchhochreflektierende Aluminiumoberflächen (Naturtonoder gefärbt); diese Möglichkeiten der Oberflächenbe-handlung erweitern die üblichen organischen und anor-ganischen Beschichtungen und sonstigen Oberflächen-behandlungsarten.

■ Reinaluminium und einige für die elektrotechnische An-wendung optimierte Aluminiumlegierungen leiten denelektrischen Strom mit weniger Aufwand an Masse alsKupferwerkstoffe.

■ Dank seiner sehr guten Wärmeleitfähigkeit eignet sichAluminium für die Konstruktion von Wärmetauschern,z.B. für leichte Wasser- und Ölkühler in Kraftfahrzeugenund Klimaanlagen.

Kennzeichnend für Aluminium und seine Legierungen sindweiterhin

■ die Ungiftigkeit und gesundheitliche Unbedenklichkeit■ das nichtmagnetische Verhalten ■ das hohe Reflexionsvermögen auch der unbehandelten

Oberfläche, insbesondere im Hinblick auf Wärmestrah-lung.

Umgangssprachlich wird die Bezeichnung „Aluminium“ füralle Werkstoffe auf Basis von Aluminium verwendet, dasheißt sowohl für unlegiertes Aluminium als auch für Alu-miniumlegierungen. Die Normung grenzt beide Begriffeab und versteht unter (unlegiertem) Aluminium ein Metallmit mindestens 99,0 Masse-% Al, wobei der Masseanteiljedes anderen Metalls im Aluminium bestimmte Grenz-werte nicht überschreiten darf. Die Aluminiumlegierungensind eingeteilt in Knetlegierungen (zur Herstellung vonBlechen und Bändern, von Strangpressprodukten wie Pro-file, Rohre, Stangen, von Schmiedestücken und Fließ-pressteilen usw.) und Gusslegierungen (für die Herstellungvon Gussstücken).

Unter dem Begriff „Reinstaluminium“ versteht die Nor-mung ein Metall mit einem Masseanteil von 99,95 % Al undmehr. Unter „Primäraluminium“ wird dasjenige Metall ver-standen,welches durch elektrolytische Zersetzung von Alu-miniumoxid gewonnen wird. Unter dem Begriff „Sekundär-aluminium“ verbergen sich in der Regel Aluminiumlegie-rungen, die aus (vermischten) Altschrotten und Produk-tionsrückläufen hergestellt werden und üblicherweise alsGusslegierungen für den Formguss Anwendung finden.

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■ Der Werkstoff Aluminium

USA 0,1

Russland 3,4

Kasachstan 3,4VR China 9,0

Australien 44,5

Europa 2,1

Indien 5,9 Malaysia 0,2

Indonesien 1,0Brasilien 11,7

Jamaika 12,6

Venezuela 4,8Surinam 3,9

Guayana 2,2 Ghana 0,4Guinea 17,0

2. Rohstoffe und Lagerstätten

Aluminium kommt im metallischen Zustand in der Naturnicht vor. Aluminium ist mit 8 % Anteil nach Sauerstoff (46,8 %) und Silicium (25,8 %) das dritthäufigste Elementder Erdkruste (Eisen etwa 5 %, Magnesium ca. 2 %, Kupferund Zink je ca. 0,01 % und Zinn ca. 0,004 %). Zur Gewinnungvon Aluminium wird fast ausschließlich Bauxit verwendet.Der für die technische Gewinnung von Aluminium ver-wendete Bauxit, ein rötlich gefärbtes Sedimentgestein, hatetwa folgende Zusammensetzung:

Aluminiumoxid (Al2O3) ca. 60 % Eisenoxid (Fe2O3) bis 30 % Siliciumoxid (SiO2) bis 5 % Titanoxid (TiO2) bis 3 % Chemisch gebundenes Wasser (Glühverlust) bis 30 %

Aluminium liegt im Bauxit in Form von Hydroxiden vor, ent-weder als Al(OH)3 oder AlOOH.

Andere für die Technik jedoch weniger interessante Roh-stoffe sind Ton sowie die silikatischen Mineralien Kaolin,Andalusit, Nephelin, Labradorit und Leuzit sowie das basi-sche Kalium-Aluminiumsulfat Alunit. Erschlossene Bauxit-Lagerstätten finden sich über die gesamte Erde verteilt(Bild 1).

Die aus heutiger Sicht wirtschaftlich abbauwürdigen Vor-kommen sichern den Bedarf für etwa 200 weitere Jahre.

Derzeit erschlossene Bauxitvorkommen weltweit (Bild 1)

Bauxit-Förderung in Mio.t 1999Vorkommen weltweit 1996: ca.25 Mrd t*Gesamtförderung 1999: 116 Mio t

*Wirtschaftlich abbaubare Vorräte reichen nach heutigen Rahmenbedingungen noch 200 Jahre.

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3. Aluminiumgewinnung

Aluminium hat eine große Neigung, sich mit Sauerstoff zuverbinden, so dass übliche Reduktionsverfahren nicht an-gewendet werden können. Die Erzeugung von Aluminiumerfolgt großtechnisch in zwei Stufen:

1. Gewinnung von Aluminiumoxid (Tonerde) aus Bauxit(mineralische Erde)

2. Reduktion des Oxids durch Schmelzflusselektrolyse zumetallischem Aluminium.

Andere Gewinnungsverfahren haben keine wirtschaftlicheBedeutung erlangt, so die carbothermische Reduktion, dieElektrolyse von Aluminiumchlorid (Alcoa-Verfahren) unddie Gewinnung aus Aluminiumchlorid durch Reaktion mitMangan (Toth-Verfahren).

3.1 Gewinnung des Aluminiumoxids

Das wichtigste Verfahren zur Herstellung von Aluminium-oxid ist das Bayer-Verfahren (Bild 2). Dabei wird der Bauxitgemahlen und in genau dosierter Menge Aufschlusslauge(aus der Anlage zurückfließende Löselauge) mit einer Kon-zentration von 200 bis 350 g Na2O/l gemischt und in Auto-klaven bei 120 bis 230 °C kontinuierlich aufgeschlossen.Aluminiumoxid geht als Natriumaluminat in Lösung undwird eingedickt. Die Natriumaluminatlauge wird in Eindickerüberführt.

Die nicht gelösten Bestandteile des Bauxits (Eisenoxid,Titanoxid und der größte Teil des Siliciumoxids) werden beietwa 90 °C von der Aufschlusslauge getrennt, im Gegen-strom gewaschen und als sogenannter Rotschlamm depo-niert oder eventuell weiterverarbeitet.

Die Natriumaluminatlauge wird nach einer Klarfiltration auf60 °C abgekühlt und in Ausrührern (Größe bis zu 1400 m3)mit „Impfstoff“ (Aluminiumhydroxid aus der Produktion)versetzt. Dadurch fällt in 60 bis 120 Stunden die Haupt-menge des gelösten Aluminiums als Aluminiumhydroxidaus und wird über Vakuumfilter abgetrennt. Die zurück-bleibende Lauge, die den Rest des gelösten Aluminiumsenthält, wird eingedampft und als Aufschlusslauge in denKreislauf zurückgeführt.

Das Aluminiumhydroxid wird sorgfältig gewaschen undanschließend in Drehrohröfen (Durchmesser bis zu 3 m,Länge bis zu 70 m) oder nach dem Wirbelschichtverfahrendurch Erhitzen auf 1200 bis 1300 °C zu Aluminiumoxid(Al2O3) kalziniert (das im Hydroxid enthaltene H2O wirdausgetrieben). Das Aluminiumoxid enthält an Verunreini-gungen Fe2O3 und SiO2 (je ca. 0,01 bis 0,02 %) sowie bis zu0,5 % Na2O.

3.2 Aluminiumgewinnungdurch Schmelzflusselektrolyse

Die großtechnische Reduktion von Aluminiumoxid zu metal-lischem Aluminium erfolgt ausschließlich durch Schmelz-flusselektrolyse im kontinuierlichen Betrieb. Das Alumini-umoxid wird in einer Schmelze aus Kryolith (Aluminium-natriumfluorid - Na3 AlF6) bei Temperaturen von 950 bis970 °C gelöst, wobei die maximale Al2O3-Konzentration 5 bis 7 % beträgt. Durch die Abscheidung von Aluminiumverarmt die Schmelze an Al2O3, das demzufolge in regel-mäßigen Zeitabständen zugegeben werden muss, um einegewünschte Konzentration aufrecht zu erhalten. Das ab-geschiedene Metall wird periodisch abgesaugt.

Aluminiumoxid-Gewinnung (Bild 2)

Das Bayer-Verfahren Bauxit

Aluminiumoxid

Eindicker

Ausrührer

Filter

Kalzinierofen

Rotschlamm

Natronlauge

Mischer

200° C40 bar

100° C

1300° C

Autoklav

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Die einzelnen Elektrolyseöfen sind in großer Anzahl hinter-einander geschaltet. Die Spannung eines Ofens beträgt4 bis 5 Volt. Aus der Zahl der Zellen ergibt sich die erfor-derliche Gleichstromspannung. Die Stromstärke beträgt150 bis 170 kA. Die Elektrolyseöfen (Bild 3) sind feuerfestausgemauerte Stahlblechwannen (Ofenzargen), die mitKohle ausgekleidet sind; in dieser Auskleidung sind auchdie Kathodenzuleitungen eingebettet (Kathode = Minuspol).Als Anode (Pluspol) wird ebenfalls Kohle verwendet, diedurch den aus dem Aluminiumoxid freigesetzten Sauer-stoff unter Bildung von gasförmigem CO2 oder CO ver-braucht wird. Die vereinfachte Reaktionsgleichung lautet:

2Al2O3 + 3 C > 4Al + 3 CO2

Der Verbrauch an Rohstoffen, Hilfsstoffen und Energie zurHerstellung einer Tonne Hüttenaluminium (Reinaluminium)ist in Bild 4 dargestellt. Der Bedarf an elektrischer Energiebeeinflusst wesentlich die Standortwahl der Aluminium-hütten. Norwegen wurde wegen seines großen Angebotesan Wasserkraft zur Gewinnung von preiswertem Stromzum größten Aluminiumerzeuger in Westeuropa. Nebender Energieversorgung sind auch Transportfragen für dieStandortwahl bestimmend.

Aluminium-Elektrolyse (Bild 3)Der Elektrolyseofen

*) Ökobilanz von Packstoffen. Stand 1990. Hrsg. vom Bundesamtfür Umwelt, Wald und Landschaft (BUWAL). Bern 1991

Energiebedarf bei der Gewinnung von Aluminium(Bild 4)

Der Gesamt-Energiebedarf (thermisch und elektrisch)ergibt sich zu 162 GJ/t *)

Aluminiumoxid

Schmelze

FlüssigesAluminium

4 bis 5 Volt150 bis 170 kA

Anode

Kathode

1 t Aluminium

Bayer-Prozess(Oxidfabrik)

2 t Al2O3

4 bis 5 t Bauxit

60 bis 200 kg Na2O(Ersatz von Alkaliverlusten)

20 - 50 GJ thermische Energie

0,5 t Petrolkoks

Ersatz vonSchmelzmittelverlusten

13,5 bis 15 MWhelektrische Energie

Elektrolyse(Aluminiumhütte)

1 bis 2 t Rotschlamm(Trockenprodukt)

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4. Aluminiumerzeugnisse und Lieferformen

4.1 Hüttenaluminium

Das in der Elektrolyse hergestellte Aluminium wird Hütten-aluminium oder Primäraluminium genannt. Es ist der Aus-gangswerkstoff für die Herstellung von Halbzeug (Bleche,Bänder, Rohre, Profile usw.) aus Aluminium und Alu-minium-Knetlegierungen. Hüttenaluminium bildet auch dieBasis für Gusslegierungen, aus denenbesonders anspruchs-volle Aluminium-Gussstücke hergestellt werden, zum Bei-spiel PKW-Räder und Fahrwerksteile („Sicherheitsbauteile“).

In den Hütten wird das flüssige Rohmetall in der ange-schlossenen Gießerei entsprechend den angefordertenSpezifikationen

■ legiert, d. h. Einstellung der chemischen Zusammen-setzung durch Zugabe von Legierungselementen direktoder über Vorlegierungen (DIN EN 575). Vorlegierungenenthalten bis zu 65 Masse-% der Legierungselemente

■ gereinigt (Abkrätzsalze bzw. Filter)■ entgast■ vergossen zu Masseln (auch: Formaten)■ als Flüssigmetall vermarktet.

Die im Zusammenhang mit „Hüttenaluminium“ verwende-ten Begriffe sind:

Masseln (DIN EN 576). Sie werden in der Hüttengießereientweder in einfachen offenen Formen vergossen oder imhorizontalen Strangguss hergestellt. Die Masseln („Block-metall“) gehen zwei verschiedene Wege:

■ In den „Formgießereien“ werden sie eingeschmolzen,um daraus Gussstücke herzustellen.

■ In den „Formategießereien“, die im Allgemeinen denHalbzeugwerken angeschlossen sind, werden sie zuFormaten, das heißt Walzbarren, Pressbarren (Pressbol-zen) usw. vergossen.

Formate sind der Sammelbegriff für Walz- (DIN EN 487),Press- (DIN EN 486) und Schmiedebarren (DIN EN 604).Sie stellen das Vormaterial für die Halbzeugfertigung darund werden im (vertikalen) Stranggießverfahren (Bild 5)hergestellt. Stromschienen mit großen Querschnitten wer-den meist im Horizontal-Stranggießverfahren gefertigt.

■ Walzbarren weisen rechteckige Querschnitte auf (bis0,6 x 1,8 m). Ihre Länge reicht bis 6 m und ihr Gewichtbis 14 t. In einigen großen Walzwerken werden Quer-schnitte bis 0,6 x 2,25 m, Längen bis 9 m und Gewichtebis 30 t erzeugt und/oder verarbeitet. Walzbarren stel-len das Ausgangsmaterial für Bleche, Bänder und Foliendar.

■ Pressbarren sind das Ausgangsmaterial (Vormaterial)für die Herstellung stranggepresster Produkte (Profile,Stangen, Rohre, Drähte). Pressbarren haben meist einenkreisförmigen Querschnitt (Durchmesser selten unter80 mm; mehrheitlich im Bereich 300 bis 500 mm; teil-weise über 600 mm; im Falle von Schmiedebarren, s.u.,auch bis 1000 mm). Wird für die Rohrherstellung überDorn gepresst, kommen hohlzylindrische Rundbarren(z.B. 510 mm Außendurchmesser, 160 mm Innendurch-messer) zur Anwendung. Großprofile mit Querschnitts-breiten bis zu 800 mm und relativ geringer Querschnitts-höhe (bis 100 mm) werden aus Rechteckbarren herge-stellt.

■ Schmiedebarren werden gemäß den Anforderungender Schmiedebetriebe im Stranggießverfahren mitDurchmessern bis zu 1 m hergestellt. Der größte Teilvon Gesenkschmiedestücken wird allerdings aus zuvorgepressten Stangenabschnitten gefertigt.

■ Gießbänder sind Vormaterial für Bleche und Bänderund Fließpressteile. Gießbänder werden auf kontinu-ierlich arbeitenden Gießmaschinen und Gießwalzenunterschiedlicher Bauweise hergestellt.

■ Gieß-Walzdraht (Vordraht, „Properzi-Draht“) entstammtkontinuierlich arbeitenden Spezialgießmaschinen undstellt wie Pressdraht das Ausgangsmaterial für gezo-gene Drähte dar.

■ Aluminiumgranalien (Linsenform bis 15 mm Durch-messer) dienen im Wesentlichen der Stahl-Desoxidation.

■ Aluminiumgrieß besteht aus Metallpartikeln bis 3 mmDurchmesser. Außer in der Stahl-Desoxidation verwen-det man ihn als Reaktionsmittel für die chemische In-dustrie, Füllstoff für Kunststoff und für aluminother-mische Zwecke.

■ Flüssigmetall (DIN EN 577) wird in etwa 3000 kg Alu-minium fassenden Spezialbehältern auf Fahrzeugen zuGießereien befördert. Diese Vorgehensweise findet zu-nehmende Verbreitung, da hiermit im Vergleich zur wie-der einzuschmelzenden Massel Energie eingespart wird.

4.2 Sekundäraluminium

Aluminium-Alt- und -Neuschrotte stellen den „Vorstoff“für die Herstellung von Sekundäraluminium (bzw. Sekun-däraluminium-Legierungen) dar. Mit der Verarbeitung von(vermischten) Aluminium-Altschrotten und -Neuschrotten(= Rückläufe aus den aluminiumverarbeitenden Betrieben)zu Sekundäraluminium-Legierungen beschäftigen sichdie Schmelzhütten (Schmelzwerke, früher „Umschmelz-werke“ genannt), siehe auch Abschnitt 12.1.2. Diese Legie-rungen werden als Masseln oder Flüssigmetall an Form-gießereien geliefert, die hieraus Gussstücke herstellen,welche beispielsweise im Automobilbau ein großes An-wendungsgebiet gefunden haben. Granalien gehören eben-falls zu den Erzeugnissen der Schmelzhütten.

08


Schematische Darstellung des Stranggießverfahrens (Bild 5)

Die Gießform (Kokille) besteht aus einem wassergekühltenKragen. Der Austritt des Kühlwassers erfolgt durch Boh-rungen an der unteren Innenkante der Kokille, so dass das andieser Wand erstarrte Metall auf Raumtemperatur gekühltwird. Die Kokille ist durch ein lose eingesetztes Bodenstückunten abgeschlossen, das auf einem absenkbaren Tisch liegt.Die Wirtschaftlichkeit kann durch gleichzeitiges Gießen meh-rerer Rund- oder Walzbarren gesteigert werden. Auch dasGießen von Hohlbarren ist möglich.

AbsenkbarerGießtisch

HydraulikKühl-wasser

Kühlwasser

GießrinneKokille

Kokille für einenhohlen Rundbarren

Im GussbefindlicheWalzbarren

Kühlwasser-ablauf

Herstellung von Aluminiumhalbzeug und -guss (Bild 6)

Hüttenaluminium

Formatguss

Walzen Strangpressen Ziehen Schmieden

Formguss

Legierungszusätze

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Liegen Aluminium-Knetlegierungen aus Schrotten in sor-tenreinen Fraktionen vor, so können diese direkt wiederfür die Halbzeugherstellung verwendet werden. Ein Bei-spiel hierfür bietet die Getränkedose aus Aluminium, dieweltweit in sehr großen Mengen recycliert wird. Das Dosen-Recycling dient zumindest in Ländern mithohen Recyclingquoten und getrennter Sammlung ge-brauchter Getränkedosen (USA, Schweden etc.) dem ori-ginären Herstellungszweck: „Aus einer Dose wird wiedereine Dose.“

4.3 Aluminiumhalbzeug

Halbzeug ist der Begriff für Erzeugnisse, die durch Warm-und/oder Kaltumformen der Formate hergestellt werden(Strangpressen, Schmieden, Warm- und Kaltwalzen, Ziehen).Bezeichnend für diese Verfahren ist das Durchkneten desWerkstoffes, daher werden die dafür geeigneten Alumini-umlegierungen Knetwerkstoffe (DIN EN 573) genannt.

Dank der hervorragenden Umformbarkeit bietet Alumini-um die größte Vielfalt an Gestaltungsmöglichkeiten. Von der6 µm dünnen und 2 m breiten Folie bis zur mehrere Meterbreiten Platte für den Schiff-, Flugzeug- und Anlagenbau,vom 0,8 mm dicken Röhrchen für den Diamanten desPlattenspielers bis zum 800 mm breiten Strangpressprofilfür moderne Hochgeschwindigkeitszüge reicht die Palettedes serienmäßigen Einsatzes von Aluminium-Halbzeug.Gerade das Strangpressen ist eine Besonderheit des Alu-miniums, da hier die kompliziertesten Querschnitte mithervorragenden Oberflächen und geringen Maßabwei-chungen in einem Arbeitsgang wirtschaftlich gefertigtwerden können.

4.3.1 Walzerzeugnisse

Walzen ist das gängige Verfahren zur Herstellung von Alu-minium-Bändern, -Blechen und -Folien. Zum Warmwalzenwerden die Walzbarren von der Gusshaut befreit und imAnwärmofen auf Walztemperatur gebracht. Beim Walzenerfolgt unter Emulsionskühlung eine große Stichabnahme.Diese Warmwalzbänder werden, je nach Anforderung anAbmessung und Eigenschaften, weiter auf Kaltwalzge-rüsten entweder zu dünnen Bändern oder Folien gewalzt,beziehungsweise zu Blechen geteilt. Eigenschaften undtechnische Lieferbedingungen von Bändern und Blechenaus Aluminiumwerkstoffen sind in nationalen und inter-nationalen Normen enthalten (DIN EN 485).

4.3.2 Strangpresserzeugnisse

Das Strangpressen von Aluminiumwerkstoffen ermöglichtwie keine andere Halbzeugfertigung die Herstellung viel-fältigster Formen, vom einfachen Vollprofil bis zum kom-plizierten Hohlprofil. Grenzen, welche durch die fertigungs-technischen Besonderheiten beim Strangpressen gege-ben sind, müssen jedoch beachtet werden. Profile mit gro-ßen Querschnitts- oder Wanddickenunterschieden und mit im Vergleich zum Gesamtquerschnitt übertrieben dün-nen und langen Schenkeln erfordern einen hohen Aufwandbei der Werkzeugherstellung, beim Pressen und beimRichten. Die lieferbaren Profilabmessungen (DIN EN 754,DIN EN 755 und DIN EN 12020) sind abhängig vomWerkstoff und vom Durchmesser des umschreibendenKreises. Mindestwanddicken und Mindestradien für dieÜbergänge sind einzuhalten.

Strangpresserzeugnisse (Bild 7)

10


4.3.3 Gezogenes Aluminiumhalbzeug

Die Ausgangsform für das Kaltziehen sind stranggepre-sste Stangen und Rohre, beziehungsweise gepresster, ge-walzter oder gegossener Vordraht (für Reinaluminium undniedriglegierte Werkstoffe meist Gießwalzdraht). Kaltnach-ziehen stranggepresster Profile ist möglich, aber unwirt-schaftlich; es wird daher praktisch nicht ausgeführt.

Gezogene Erzeugnisse mit Abmessungsangaben sind so-wohl in nationalen wie in internationalen Normen erfasst.

4.3.4 Schmiedestücke

Der übliche Abmessungsbereich liegt für Freiformschmie-destücke bei maximalen Längen von 5 m, bei Breiten bis 2 m und bei Flächen bis 2 m2. Gesenkschmiedestücke, wiePkw- und Lkw-Räder oder Strukturteile für Flugzeugeoder Fahrzeuge zeichnen sich durch hohe Festigkeit undZähigkeit aus und werden deshalb bevorzugt für hochbe-lastete Sicherheitsteile eingesetzt.

4.4 Aluminium-Verbundwerkstoffe

Aluminium kann auf verschiedene Weise unlösbar zumVerbund mit anderen Werkstoffen (Metallen oder Nicht-metallen) kombiniert werden. Bei Aluminium in Kombi-nation mit Metallen wie Stahl oder Kupferwerkstoffen sindVarianten des Pressschweißens (Walzplattieren, Explosions-schweißen), das Verbundstrangpressen (Bild 8 „Strom-schiene“) und das Reibschweißen möglich beziehungs-weise üblich.

Flächige Kombinationen von Aluminium mit Nichtmetallen(z.B. Kunststoffe, Holzwerkstoffe) zu so genannten Sand-wichelementen werden durch Kleben beziehungsweisedurch Ausschäumen des Raumes zwischen zwei Alu-minium-Deckschichten hergestellt (Bild 9).

Das bekannteste Beispiel für die Serienanwendung vonAluminium im Verbund mit Keramikfasern beziehungs-weise -partikeln stellen thermisch hochbelastbare Die-selmotorkolben dar. Diese Kolben erhalten eine partielleVerstärkung im Bereich des Kolbenbodens, indem ein vor-geformter Keramikfasereinsatz in der Gießform unter Druckmit Aluminiumschmelze infiltriert wird.

Stromschiene (Bild 8)

Im Verbund stranggepresste Aluminium-Stromschienemit Edelstahlauflage (Unterseite = Schleifkontakt-Fläche)für U-Bahn Wien

80

150

11

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4.5 Halbzeug ähnliche Aluminiumerzeugnisse

Innerhalb der Bandbreite dieser Erzeugnisse seien hiernur diejenigen Produkte vorgestellt, die durch Kaltumfor-men aus Aluminiumblechen oder -bändern hergestellt wer-den. Beispiele sind:

■ durch Rollformen profilierte Bänder und Bleche (Bild 10)■ Bandprofile, rollgeformt oder durch eine Matrize gezo-

gen; Beispiel: Rollladenprofil (Bild 11)■ durch Abkanten von Blechen hergestellte Profile

(Abkant-Profile)■ Längsnahtgeschweißte dünnwandige Rohre (z.B. für

Wärmeaustauscher)■ Falzrohre, mit Längs- oder Spiralfalz (Wendelfalz)■ Wellrohre (flexible Rohre).

Rollladenprofil (Bild 11)

Rollgeformte Produkte (Bild 10)

Sandwichelemente (Bild 9) Alucobond mit Polyäthylen-Kern

…und Anwendungsbeispiel

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5. Werkstoffeigenschaften

5.1 Chemische Eigenschaften

Aluminium ist ein reaktionsfähiges, leicht oxidierbaresElement. Die große Oxidationsneigung führt dazu, dasssich Aluminium unter der Einwirkung des Luftsauerstoffesspontan mit einer sehr dünnen, natürlichen Oxidschicht(Dicke ca. 0,01 µm) überzieht, die das darunter liegendeMetall passiviert und vor weiterem Angriff schützt. DieOxidschicht wird jedoch in sauren und alkalischen wäss-rigen Lösungen aufgelöst, so dass Aluminium nur im pH-Bereich 5 bis 8 chemisch beständig ist. In der Witterungmit einem Wechsel von feuchten und trockenen Periodenbilden sich dicker werdende oxidische Deckschichten (bis0,1 µm dick), bestehend aus Oxiden und Hydroxiden, dieeine zunehmende Schutzwirkung aufweisen, aber durcheingelagerte Staubpartikel unansehnlich wirken können.

Die Oxidschicht kann elektrolytisch durch Anodisieren(Eloxieren) wesentlich dicker ausgebildet werden. Dieseanodisch erzeugten Oxidschichten werden durch Witte-rungseinflüsse praktisch nicht mehr verändert.

Die chemischen Eigenschaften des reinen Metalls geltenauch für die meisten Aluminiumlegierungen, sofern die-sen kein Kupfer zulegiert wurde.

5.2 Physikalische Eigenschaften

Dichte, Elastizitätsmodul und Wärmeausdehnungszahlsind Eigenschaften, die sich bei Aluminium durch Legie-rungsbestandteile in den Mengen, wie sie zum Beispiel diegenormten Knetlegierungen aufweisen, nur in geringerBandbreite ändern. So schreiben Regelwerke zur Bemes-sung von Aluminium-Tragkonstruktionen den E-Modul fürAluminium-Knetlegierungen mit 70 000 N/mm2 fest. Be-züglich des Einflusses auf Dichte und E-Modul machtLithium bei Aluminium allerdings eine Ausnahme. Al-Li-Knetlegierungen, die heute für die Luft- und Raumfahrt(und zwar wegen des hohen Preises nur dort) Anwendungfinden (z.B. Space Shuttle) senken die Dichte und steigernden E-Modul.

Vergleichsweise stark von den Legierungsbestandteilen ab-hängig sind die Wärme- und die elektrische Leitfähigkeit,so wie dies auch bei den Festigkeitseigenschaften und denKorrosionseigenschaften (hinsichtlich Cu) der Fall ist.Tafel 1 stellt die Dichte und den E-Modul von Aluminiumden entsprechenden Werten anderer technisch wichtigerGebrauchsmetalle gegenüber. Tafel 2 vergleicht Reinstalu-minium und Aluminium-Knetlegierungen hinsichtlich einerReihe von technisch relevanten physikalischen Kenngrößenund macht damit den unterschiedlich großen Einfluss vonLegierungselementen in Aluminium, auch auf den Schmelz-beziehungsweise Erstarrungsbereich, deutlich.

Dieser wird nach oben durch die Liquidustemperatur undnach unten durch die Solidustemperatur begrenzt. Er istdurch das gleichzeitige Vorhandensein von flüssiger undfester Phase gekennzeichnet und liegt bekanntermaßenstets tiefer als der Schmelzpunkt des reinen Metalls.

Die Härte von Aluminiumwerkstoffen wird in Deutschlandüblicherweise als Brinellhärte [HB in N/mm2] angegeben.Eine alle Legierungen und Zustände im Halbzeug ein-schließende Beziehung zwischen Härte und einerFestigkeitseigenschaft (Zugfestigkeit) besteht bei Alu-minium nicht, ebensowenig eine Beziehung zwischenHärte und Verschleißfestigkeit. Die Härte ist kein Ab-nahmekriterium zum Beispiel bei der Wareneingangs-prüfung. Wohl aber dienen Härtemessungen dazu, dieBreite einer Wärmeeinflusszone im Schweißnahtbereichzu ermitteln.

Leic

htm

etal

leSc

hwer

met

alle

(Tafel 1)

Dichte und Elastizitätsmodul (E-Modul) von technischgebräuchlichen bzw. konstruktiv verwendeten Metallen(Bezugsgröße: das reine Metall)

1) ebenso Stahl2) Für konstruktiv verwendete Knetlegierungen gilt der runde Wert

70 000 N/mm2. Über die Querkontraktionszahl (= 0,3) ergibt sich derSchubmodul zu G = 27 000 N/mm2.

Metall chemisches Dichte E-ModulSymbol [g/m3 ] [N/mm3 ]

Magnesium Mg 1,7 45 000

Beryllium Be 1,8 295 000

Aluminium Al 2,7 66 6002)

Titan Ti 4,5 110 000

Zink Zn 7,1 120 000

Zinn Sn 7,3 44 000

Eisen1) Fe 7,9 210 000

Nickel Ni 8,9 210 000

Kupfer Cu 8,9 120 000

Blei Pb 11,3 19 000

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Merkblatt

5.3 Mechanische Eigenschaften

Die Festigkeit spielt bei der technischen Anwendung vonAluminium meist die Hauptrolle. So weisen Aluminium-Konstruktionslegierungen bei hinreichender DuktilitätMindestwerte für die Zugfestigkeit (Rm) auf, die von etwa200 N/mm2 bis, im Falle der kupferhaltigen Luftfahrt-legierungen, über 500 N/mm2 reichen. Diesem Anspruchvermag unlegiertes Aluminium nicht gerecht zu werden,auch wenn es durch Kaltverfestigung (z.B. infolge Kalt-walzen von Blechen, Ziehen von stranggepressten Rohren etc.) deutlich höhere Werte für Zugfestigkeit und0,2 %-Dehngrenze (0,2-Grenze; Rp0,2) als im Zustand „weich“erreicht (Bild 12).

Typische Konstruktionslegierungen, wie man sie in Regel-werken zur Bemessung von Tragkonstruktionen findet,sind die höher legierten Varianten der nicht aushärtbarenGattung AlMg/AlMgMn und aushärtbare Legierungen derGattungen AlMgSi und AlZnMg.

Bei Aluminiumwerkstoffen gibt es zwei Mechanismen zurFestigkeitssteigerung: Kaltverfestigung und Aushärten,welche sich gegenseitig überlagern können. Als Bezugs-punkt für diese Festigkeitssteigerungen dient der Zustand„weich“. Bereits in diesem Zustand wächst die Festigkeitmit der Zahl der Fremdatome im Mischkristall, das heißt mitansteigendem Gehalt an Legierungselementen. So beispiels-weise bei Aluminiumlegierungen des Typs AlMg/ AlMgMn(untere Begrenzungskurve im Bild 12, die links beim reinenAluminium (Al) beginnt und das ausdrückt, was in derLiteratur unter „Legierungsverfestigung“ verstanden wird).

■ Kaltverfestigung: Die plastische Formänderung, zumBeispiel durch Kaltwalzen, führt zu Versetzungen imKristallgitter, die sich zunehmend gegenseitig behin-dern und damit den Umformwiderstand (Festigkeitusw.) erhöhen, wobei Gitterfehler, Korngrenzen unddergleichen eine Rolle spielen. Der Effekt „Kaltver-festigung“ äußert sich in einer massiven Zunahme desStreckgrenzenverhältnisses Rp0,2/Rm, wobei die Bruch-dehnung stark abnimmt.

Eine durch Kaltverfestigung erzielte Festigkeitsstei-gerung geht bei Temperaturen über 250 °C durchRekristallisation auf die Festigkeit des Zustandes„weich“ zurück. Durch Glühen unterhalb der Rekristal-lisationsschwelle (abhängig von Zusammensetzung undKaltverfestigungsgrad bzw. Umformgrad) erfolgt eineweniger starke Entfestigung durch Erholung.

„Entfestigungsglühen“ (Temperatur 200 bis 250 °C) wirdzum Beispiel angewendet zur Erzielung eines halbhar-ten Zustandes aus hartgewalzten Blechen. Vorteil: Beigleicher Festigkeit ist die Bruchdehnung erheblichhöher, als wenn vom weichen Zustand aus kaltverfes-tigt wird.

(Tafel 2) Vergleich physikalischer Kennwerte für Aluminium-Knetlegierungen mit den entsprechenden Werten für Reinstaluminium

*) Für Knetlegierung in der Literatur häufig anzutreffender Richtwert: 24

Kennwert Reinstaluminium Aluminiumknetlegierungen

Al 99,99

Dichte in g/cm3 2,7 von 2,64 (EN AW-5019)

bis 2,85 (EN AW-2007)

Mittlerer linearer 23,6 von 22,8 (EN AW-2014)*)

Wärmeausdehnungskoeffizient bis 24,2 (EN AW-5083)

(in 10-3 mm/m0 K) zum Vergleich:~12 Baustahl

im Bereich 20 bis 100 °C

Elektrische Leitfähigkeit 37,7 bis 16 (EN AW-5083)

in m/(Ohm·mm2) und 15 (EN AW-5019)

Wärmeleitfähigkeit 235,0 bis zu 110

in W/m °K (EN AW-5083 und EN AW-5019)

Erstarrungsbereich 660/660 643/654 (EN AW-3003)

(Solidus-/Liquiduspunkt) 585/650 (EN AW-6060)

in °C 480/640 (EN AW-7075)

14


■ Festigkeitssteigerung durch Aushärten. Dieser Mecha-nismus der Festigkeitssteigerung erfolgt nur bei eini-gen Typen von Aluminiumlegierungen, zum BeispielAlCuMg, AlZnMg oder AlMgSi. Voraussetzung für dasAushärten ist das Erwärmen auf eine Temperatur, beider möglichst viele von zur Aushärtung führendenFremdatomen im Mischkristall gelöst sind (Lösungs-glühen). Dem folgt rasches Abkühlen von dieserTemperatur auf Raumtemperatur (Abschrecken), wo-durch die Fremdatome bei hinreichend kleiner Beweg-lichkeit übersättigt, also im Ungleichgewicht in Lösungbleiben. Längeres Lagern bei Raumtemperatur (Kalt-auslagern) oder bei mäßig erhöhter Temperatur (Warm-auslagern) führt zur Ausscheidung der Fremdatomeunter Bildung von Teilchen einer kritischen Größe. InBild 12 sind für AlMgSi-Werkstoffe und für AlZn4,5Mg1Punkte gemäß den in DIN EN 485-2, 754-2 und 755-2enthaltenen Mindestwerten für Rm und Rp0,2 eingetra-gen (Zustand: warmausgehärtet).

(Bild 12)

Zuordnungen von Mindestwerten für Rp0,2 und Rm nach DIN EN 485-2,754-2 und 755-2 für Reinaluminium, AlMg-und AlMgMn-Knetlegierungen, aushärtbare Knetlegierungen der Gattung AlMgSi und AlZn4,5Mg1, letztere im Zustand „warmausgehärtet“; fürReinaluminium und die nichtaushärtbaren Legierungen ist einmal der Zustand „weich“ berücksichtigt (untere Begrenzungskurve)und zum anderen für jede dieser Legierungen verschiedene Grade der Kaltverfestigung (steil nach oben weisende Linien); zumVergleich ist der Punkt für St37 (Baustahl) mit eingetragen, ebenso finden sich in dem Diagramm Geraden durch den Nullpunkt, diedas Dehngrenzenverhältnis Rp0,2 /Rm angeben.

300

250

200

150

100

50

20

Rp0.2 [ N/mm2]

[ N/mm2]Rm

0 50 100 150 200 250 300 350 400

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,80,9

Rp0.2

--------

--- = 1

Rm

AlMg4,5Mn0,7

= Rein-Al, kaltverfestigt

= Typ AlMgSi, warm ausgehärtet

= AlZn4,5Mg1, warm ausgehärtet

= Typ AlMg, AlMgMn u. Rein-Alim Zustand weich

= Typ AlMg, AlMgMnim Zustand kalt-verfestigt

= St 37

und AlMg5 (Blech)

AlMg5 (Stangen,Rohre)

AlMg4AlMg3Mn

AlMg2Mn0,8AlMg3

AlMg2,5AlMg1,5

AlMg1Al

AlMg2

15

W 1

Merkblatt

Rm= Zugfestigkeit; Rp0,2= 0,2% Dehngrenze; A5omm = Bruchdehnung. Werte gemäß DIN EN 485-2 (Bleche/Bänder) und DIN EN 754-2 u.755-2 (Profile). O / H 111 = weich, H xx = Kaltverfestigung, T x(x) = Aushärtungszustand, wobei x Platzhalter für Ziffern sind.

*) Werkstoffzustand,für den das Maximum der Festigkeit für eine Legierung erreicht wird.

(Tafel 3) Mechanische Eigenschaften (Mindestwerte) einiger genormter Aluminium-Knetlegierungen

Werkstoffbe- Werkstoffkurzzeichen und Halbzeugart Rm Rp0,2 A50mm Zustand Blechdicken bzw.zeichnung Zustandsbezeichnung nach N/mm2 N/mm2 % Wanddickenbereichnach in mmDIN EN 573 DIN EN 573 DIN EN 515

„Rein-Al “ AW-1050A Al 99,5 O/H111 Bänder bis 65 20 35 weich 6 bis 12,5H12 3 mm Dicke; 85 65 7 kaltgewalzt 3 bis 6H22 Bleche 85 55 11 rückgeglüht 3 bis 6H19*) 150 130 1 kaltgewalzt 1,5 bis 3F,H12 Profile 60 20 23 gepresst jede Wanddicke

nicht aus- AW-3003 Al Mn1Cu O/H111 Bänder bis 95 35 24 weich 6 bis 12,5härtbare H12 3 mm Dicke; 120 90 7 kaltgewalzt 6 bis 12,5Legierungen H19*) Bleche 210 180 2 kaltgewalzt 1,5 bis 3

AW-3004 Al Mn1Mg1 O/H111 Bänder bis 155 60 15 weich 1,5 bis 3H12 2 mm Dicke; 190 155 4 kaltgewalzt 1,5 bis 3H22 Bleche 190 145 6 rückgeglüht 1,5 bis 3H19*) 270 240 1 kaltgewalzt 0,2 bis 1,5

AW-5049 Al Mg2Mn0,8 O/H111 Bänder bis 190 80 18 weich 3 bis 6und und 3 mm Dicke;AW-5754 Al Mg3 H12 Bleche 220 170 9 kaltgewalzt 6 bis 12,5

H22 220 130 10 rückgeglüht 6 bis 12,5H18*) 290 250 2 kaltgewalzt 0,5 bis 3

AW-5754 Al Mg3 F, H112 Profile 180 80 12 gepresst bis 25AW-5454 Al Mg3Mn O/H111 Bleche 215 85 18 weich 6 bis 12,5

H22/H32 250 180 10 rückgeglüht 6 bis 12,5H28/H38*) 310 250 3 0,2 bis 3

AW-5083 Al Mg4,5Mn0,7 F/ Profile 270 110 10 gepresst jede WanddickeO/H111 Bleche 275 125 16 weich 6 bis 12,5H12 315 250 7 rückgeglüht 6 bis 12,5H16*) 360 300 2 0,5 bis 4

aushärtbare AW6060 Al MgSi T6 Profile 190 150 6 warmaus- bis 3Legierungen T6 170 140 6 gehärtet 3 bis 25

T66*) 215 160 6 bis 3AW-6063 Al Mg0,7Si T6 215 170 6 warmaus- bis 10

195 160 6 gehärtet 10 bis 25 mmAW-6005A Al SiMg(A) T6 Profile 260 215 – warmaus- Vollprofil > 50 bis 100

T6 255 215 6 gehärtet Hohlprofil bis 5T6 270 225 6 Hohlprofil bis 5

AW-6082 Al Si1MgMn T6 Profile 295 250 6 warmaus- Vollprofil bis 20T6 310 260 8 gehärtet Hohlprofil > 5 bis 15T6*) Bleche 310 260 6 0,4 bis 1,5T6*) 310 260 7 1,5 bis 3T6*) 310 260 10 3 bis 6T66 300 255 9 6 bis 12,5

AW-7020 Al Zn4,5Mg1 T6 Profile 350 290 8 warmaus- bis 40gehärtet

T6 Bleche 350 280 10 3 bis 12,5AW-7075 Al Zn5,5MgCu T6 Profile 530 460 4 warmaus- bis 25

gehärtetT62 Bleche 490 390 – 80 bis 90T6*) 545 475 8 3 bis 6

Tafel 3 gibt die Mindestwerte der Festigkeitseigenschaftenvon Aluminium 99,5 und einer Auswahl gebräuchlicherAluminium-Knetlegierungen wieder. Genannt sind dieMindestwerte für die Halbzeugarten Bleche/Bänder (DIN EN 485-2) und Strangpressprofile (DIN EN 755-2).Rohre und Stangen (DIN EN 755-2) sind Strangpress-produkte mit gleichen oder ähnlich hohen, genormtenFestigkeitseigenschaften wie Strangpressprofile.

In den Tafeln 4.1, 4.2 und 4.3 sind die Daten zu einer Aus-wahl von Aluminium-Gusslegierungen nach DIN EN 1706zusammengestellt. Die genannten Mindestwerte liegenhäufig deutlich unter den tatsächlich im Gussstück mit entsprechendem gießtechnischem Aufwand erreichbarenWerten und spiegeln daher nur bedingt die Leistungs-fähigkeit einer Aluminium-Gusslegierung wider.

16


Werkstoff- Kurzzeichen nicht wärmebehandelt wärmebehandeltNummer

Zug- 0,2% Deh- Brinell- Wärme- Zug- 0,2 % Deh- Brinell-festigkeit Dehngrenze nung härte behand- festigkeit Dehngrenze nung härte

HB lungs- % HBN/mm2 N/mm2 % zustand N/mm2 N/mm2

EN AC- EN AC- min. min. min. min. min. min. min. min.

21000 Al Cu4MgTi T4 300 200 5 90

21100 Al Cu4Ti T6 300 200 3 95

T64 280 180 5 85

41000 x Al Si2MgTi 140 70 3 50 T6 240 180 3 85

42000 x Al Si7Mg 140 80 2 50 T6 220 180 1 75

42100 Al Si7Mg0,3 T6 230 190 2 75

42200 x Al Si7Mg0,6 T6 250 210 1 85

43000 Al Si10Mg(a) 150 80 2 50 T6 220 180 1 75

43100 x Al Si10Mg(b) 150 80 2 50 T6 220 180 1 75

43200 Al Si10Mg(Cu) 160 80 1 50 T6 220 180 1 75

43300 Al Si9Mg T6 230 190 2 75

44000 Al Si11 150 70 6 45

44100 x Al Si12(b) 150 70 4 50

44200 Al Si12(a) 150 70 5 50

45000 Al Si6Cu4 150 90 1 60

45200 x Al Si5Cu3Mn 140 70 1 60 T6 230 200 <1 90

45300 x Al Si5Cu1Mg T4 170 120 2 80

T6 230 200 <1 100

46200 Al Si8Cu3 150 90 1 60

46400 x Al Si9Cu1Mg 135 90 1 60

46600 x Al Si7Cu2 150 90 1 60

47000 Al Si12(Cu) 150 80 1 50

51000 x Al Mg3(b) 140 70 3 50

51100 Al Mg3(a) 140 70 3 50

51300 Al Mg5 160 90 3 55

51400 Al Mg5(Si) 160 100 3 60

71000 x Al Zn5Mg T1 190 120 4 60

x: In Deutschland nicht üblich, durch andere geeignete Legierungen ersetzbar.

Mechanische Eigenschaften europäisch genormter Legierungen nach DIN EN 1706

(Tafel 4.1) Aluminium-Druckgusslegierungen, Werte für getrennt gegossene Probestäbe

(Tafel 4.2) Aluminium-Sandguss, Werte für getrennt gegossene Probestäbe

Legierungs- CEN Kurzzeichen Zugfestigkeit 0,2% Dehnung Brinellhärte D = ingruppe Bezeichnung Rm Dehngrenze Deutschland

N/mm2 N/mm2 A % HB üblichemin. min. Legierungen

Al Si10Mg EN-AC 43400 Al Si10Mg(Fe) 240 140 1 70 D

Al Si EN-AC 44300 Al Si12(Fe) 240 130 1 60 D

EN-AC 44400 Al Si9 220 120 2 55

Al Si9Cu EN-AC 46000 Al Si9Cu3(Fe) 240 140 <1 80 D

EN-AC 46100 Al Si11Cu2(Fe) 240 140 <1 80

EN-AC 46200 Al Si8Cu3 240 140 1 80

EN-AC 46500 Al Si9Cu3(Fe)(Zn) 240 140 <1 80

Al Si(Cu) EN-AC 47100 Al Si12Cu1(Fe) 240 140 1 70 D

Al Mg EN-AC 51200 Al Mg9 200 130 1 70 D

17

W 1

Merkblatt

(Tafel 4.3) Aluminium-Kokillenguss, Werte für getrennt gegossene Probestäbe

Werkstoff- Kurzzeichen nicht wärmebehandelt wärmebehandeltNummer

Zug- 0,2% Deh- Brinell- Wärme- Zug- 0,2 % Deh- Brinell-festigkeit Dehngrenze nung härte behand- festigkeit Dehngrenze nung härte

HB lungs- % HBN/mm2 N/mm2 % zustand N/mm2 N/mm2

EN AC- EN AC- min. min. min. min. min. min. min. min.

21000 Al Cu4MgTi T4 320 200 8 95

21100 Al Cu4Ti T6 330 220 7 95

T64 280 180 8 90

41000 x Al Si2MgTi 170 70 5 50 T6 260 180 5 85

42000 x Al Si7Mg 170 90 2,5 55 T6 260 220 1 90

T64 240 200 2 80

42100 x Al Si7Mg0,3 T6 290 210 4 90

T64 250 180 8 80

42200 Al Si7Mg0,6 T6 320 240 3 100

T64 290 210 6 90

43000 Al Si10Mg(a) 180 90 2,5 55 T6 260 220 1 90

T64 240 200 2 80

43100 x Al Si10Mg(b) 180 90 2,5 55 T6 260 220 1 90

T64 240 200 2 80

43200 Al Si10Mg(Cu) 180 90 1 55 T6 240 200 1 80

43300 Al Si9Mg T6 290 210 4 90

T64 250 180 6 80

44000 Al Si11 170 80 7 45

44100 x Al Si12(b) 170 80 5 55

44200 Al Si12(a) 170 80 6 55

45000 Al Si6Cu4 170 100 1 75

45100 x Al Si5Cu3Mg T4 270 180 2,5 85

T6 320 280 <1 110

45200 x Al Si5Cu3Mn 160 80 1 70 T6 280 230 <1 90

45300 x Al Si5Cu1Mg T4 230 140 3 85

T6 280 210 <1 110

45400 x Al Si5Cu3 T4 230 110 6 75

46200 Al Si8Cu3 170 100 1 75

46300 x Al Si7Cu3Mg 180 100 1 80

46400 x Al Si9Cu1Mg 170 100 1 75 T6 275 235 1,5 105

46600 x Al Si7Cu2 170 100 1 75

47000 Al Si12(Cu) 170 90 2 55

48000 Al Si12CuNiMg T5 200 185 <1 90

T6 280 240 <1 100

51000 x Al Mg3(b) 150 70 5 50

51100 Al Mg3(a) 150 70 5 50

51300 Al Mg5 180 100 4 60

51400 Al Mg5(Si) 180 110 3 65

71000 x Al Zn5Mg T1 210 130 4 65

x: In Deutschland nicht üblich, durch andere geeignete Legierungen ersetzbar.

18


Fließpressverfahren (Bild 13)

Fließpressen mit der Stempelbewegung(Vorwärtsfließpressen)

Fließpressen mit der und gegen die Stempelbewegung(kombiniertes Fließpressen)

Fließpressen gegen die Stempelbewegung(Rückwärtsfließpressen)

19

W 1

Merkblatt

Gesenkschmiedestücke, ihre Eigenschaften entsprechenKnetlegierungen gleicher Zusammensetzung.

6.2 Umformen

6.2.1 Warmumformen

■ Freiform-Schmiedestücke: Ausgangsform ist ein Stranggussblock oder Abschnitteines Strangpressprofils.

■ Gesenkschmiedestücke: Ausgangsform ist meist Abschnitt eines Strangpress-profils, bei großen Abmessungen auch Freiform-schmiedestücke.

6.2.2 Kaltumformen

■ Kaltfließpressteile für Verpackung (Tuben, Röhrchen,Dosen, Aerosoldosen).

■ Technische Fließpressteile bis ca. 120 mm Ø und 360 mmHöhe, Mindestwanddicke ca. 1 % des Durchmessers.Rechteckige Formen und solche mit Rippen und Ver-steifungen sind möglich (Schema des Kaltfließpressens,Bild 13).

■ Tiefgezogene oder hohlgeprägte Blechformteile, beizylindrischen Teilen Verjüngen des Zylindermantelsdurch Abstreckziehen möglich.

■ Drückteile (auch ovale); bei zylindrischen und kegel-förmigen Teilen Verjüngen der Wanddicke durch Drück-walzen (Abstreckdrücken, Bild 14) möglich. Rotations-symmetrische Teile können ausgebaucht, eingezogenund mit Sicken und Bördeln versehen sein.

■ Blechbiegeteile; hergestellt in Biegewerkzeugen oderauf Abkantmaschinen.

■ Rohr- und Drahtbiegeteile.■ Ausgebauchte, gebördelte und gesickte Tiefziehteile

oder Rohre.■ Rohrbögen.

6. Formteile

Formteile aus Aluminium können nach allen in der Metall-verarbeitung üblichen Urform- und Umformverfahren her-gestellt werden:

6.1 Urformverfahren

Urformen ist Fertigen eines festen Körpers aus formlosemStoff, z.B. im flüssigen, breiigen, pastenförmigen Zustand,durch Schaffen des Zusammenhaltes. Hierbei treten dieStoffeigenschaften des Werkstoffes bestimmbar in Er-scheinung.

6.1.1 Gießen

Lässt man flüssiges Aluminium in einer Form mit denKonturen des gewünschten Bauteils erstarren, so heißtdas Ergebnis „Gussstück“ oder „Formguss“. Gussstückezeichnen sich durch eine hohe Vielfalt an Gestaltungs-möglichkeiten und Größen aus, wobei das gewählte Gieß-verfahren eine Rolle spielt. Während das Gießen vonFormaten mit deren einfachen Querschnitten nach demStranggießverfahren (Bild 5) bei allen Legierungen ein-wandfrei möglich ist, stellt der Formguss erheblich höhe-re Anforderungen an die Gießbarkeit. Für Gussstücke kom-men daher nur solche Legierungen in Frage, die ausdrü-cklich als Gusslegierungen (siehe u. a. DIN EN 1706)bezeichnet sind. Gusslegierungen weisen gegenüberKnetlegierungen in der Regel einen deutlich höherenGehalt an Legierungselementen auf. Hiermit trägt man denGegebenheiten Rechnung, die aus den Erstarrungs- undSchrumpfungsvorgängen resultieren, denen das Metallbeim Abkühlen in der Gießform unterliegt. Man unter-scheidet in Anlehnung an das jeweilige Gießverfahren:

■ Sandgussstücke: Gießform wird nach Holzmodell inSand abgeformt. Höchstgewicht ist abhängig von denvorhandenen Einrichtungen, bisher ca. 4 000 kg.

■ Kokillengussstücke: Gießform ist metallische Dauer-form. Gewicht des Gussstückes bis ca. 100 kg.

■ Druckgussstücke: Gießform ist metallische Dauerform,in die das flüssige Metall mit hoher Geschwindigkeiteingepresst wird. Gewicht des Gussstückes bis ca. 50 kg.

■ Feingussstücke: Zur Formherstellung wird ein Wachs-modell in spezielle keramische Formmassen einge-formt und das Wachs durch einen Brennvorgang wie-der ausgeschmolzen. Feingussstücke weisen hoheMaßgenauigkeit auf. Gewicht bis ca. 25 kg.

6.1.2 Sintern

Aluminium-Pulver oder -Pulvermischungen werden mitspeziellen Bindemitteln kalt unter hohem Druck in eineMetallform gepresst (Vorpressteil oder Grünling), an-schließend erfolgt Drucksintern bei erhöhten Tempera-turen. Die Dichte beträgt etwa 98 % des vergleichbarenKnetwerkstoffs. Sinterformteile sind maßgenauer als

Streckdrückvorgang:

a) Vorform, b) Andrückstange, c) Streckfutter, d) Streckrollen

Abstreckdrücken (Bild 14)

d

a c

b

20


7. Spanende Bearbeitung

Das Spanen von Aluminium erfolgt bei erheblich höherenSchnittgeschwindigkeiten als beim Spanen von Stahl. BeimHochgeschwindigkeitsfräsen werden bei geeigneterSpindellagerung Drehzahlen von 20 000 bis 35 000 U/minerzielt. Werkstoffe im kaltverfestigten oder ausgehärtetenZustand lassen sich besser spanen als solche im weichenZustand. Automatenlegierungen (Bohr- und Drehqualität)mit spanbrechenden Legierungszusätzen ermöglichenstörungsfreie Spanabfuhr auch bei hohen Spanleistungen.Allgemein eignen sich Gusslegierungen besser zumSpanen als Knetlegierungen. Bei Gusslegierungen mit Si-Gehalten über 7 % sind wegen der harten Silizium-kristalle Hartmetallwerkzeuge zu empfehlen.

8. Trennverfahren

Das Trennen von Aluminiumwerkstoffen mit Hand-, Band-und Kreissägen erfolgt mit Sägeblättern, die eine größereZahnteilung und einen gut ausgerundeten, glatten Zahn-grund aufweisen.

Beim Zerteilen, beispielsweise beim Scherschneiden,müssen die Schneidewerkzeuge (Scheren, Schnittwerk-zeuge) kleine Schneidspalte aufweisen. Polieren undSchmieren (z.B. auch durch Festkörper-Schmiermittel)der Mantelflächen von Schnittstempeln hilft Metallabriebzu vermeiden, der bei weichen Werkstoffen einVerschweißen mit der Trennfläche und damit zu unsaube-ren Schnittflächen - bei dünnen Stempeln sogar zuStempelabriss - führen kann.

Mit Ausnahme des autogenen Brennschneidens könnenalle bekannten thermischen Trennverfahren angewendetwerden.

9. Fügeverfahren

9.1 Mechanische Fügeverfahren

Die bekannten mechanischen Fügeverfahren wie Nieten,Schrauben und Umformen lassen sich auch beiAluminium-Konstruktionen anwenden. Darüber hinaus istes durch die freie Querschnittgestaltung beim Strang-pressen möglich, Aluminiumteile durch Verschnappen,

Stecken, Einhängen etc. zu verbinden. Beim mechanischenFügen verschiedener Werkstoffe ist unbedingt auf ihreVerträglichkeit zu achten. Eine Orientierung gibt die nach-stehende Tafel 5, in der das Risiko für Aluminiumteile beimZusammenbau mit anderen Metallen in verschiedenenAtmosphären dargestellt ist. Auch beim Kontakt mit nicht-metallischen Fügepartnern, wie z.B. Holz oder Beton, istbei nicht bekannten oder für Aluminium gefährlichenStoffanteilen oder Ingredienzien für eine Trennschicht zusorgen.

9.1.1 Nieten

Das Nieten führt zu einer Verbindung, die ohne Zerstörungnicht lösbar ist. Die Hauptbelastung sollte quer zurNietachse auf Abscheren oder Lochleibung erfolgen, des-halb sind zweischnittige Verbindungen von Vorteil. GängigeNietwerkstoffe sind Aluminium, Stahl und Edelstahl. DieNietverbindung sollte mindestens die gleiche Festigkeitund den gleichen Korrosionswiderstand haben wie dieFügeteile. Das Nieten mit Vollnieten, die aus einem Teilbestehen und eine Zugängigkeit der Fügestelle von beidenSeiten erfordern, wird immer mehr durch einseitig setz-bare Verbindungen mittels Blindniete, die aus Dorn,Setzkopf und Niethülse bestehen, verdrängt. Drei prinzi-pielle Blindniettypen sind in Bild 15 dargestellt. Beim Verbinden mit Blindnieten ist genau auf die Ein-haltung von Klemmlänge und Bohrlochdurchmesser zuachten (Herstellerangaben).

Tafel 5: Gefahr der Kontaktkorrosion für Aluminiumteile beim Zusammenbau mit Zubehörteilen aus anderen Elektrolyt-Metallen

Gefahr AtmosphäreLand Stadt/ Industrie Seenähe

keine Blei, Zink, Edelstahl Blei, Zink, Edelstahl ZinkEdelstahl, Blei

mittel ungeschützter Stahl ungeschützter Stahlbis Kupfer ungeschützter Stahlgroß Kupfer Kupfer

Blindniet Becher-Blindniet Presslaschen-

Blindniet

Blindniettypen (Bild 15)

21

W 1

Merkblatt

■ Spezialformen bilden die Schließringbolzen, die beid-seitig zugänglich sein müssen und bei denen derSchließkopf durch einen Schließring (Anpressring)ersetzt ist, sowie die Nietmuttern, die einseitig setzbarsind und an deren Durchsteckmuttern weitere Füge-teile anschraubbar sind.

■ Bei Stanznieten entfällt das Vorbohren.

9.1.2 Schrauben

Schraubverbindungen sind prinzipiell lösbare Verbin-dungen, die entweder von beiden Seiten (Schrauben mitMuttern) oder einseitig setzbar sind (Gewindeform- oderGewindeschneidschrauben, Gewindeeinsätze). Für die Ver-wendung letzterer Schraubentypen eignet sich Aluminiumbesonders deshalb, weil Schraubkanäle (Bild 16) oder ähn-liche Vorrichtungen bereits beim Strangpressen geformtwerden können. Allerdings dürfen diese Schrauben in dün-nen Unterkonstruktionen nicht mehrmals in das gleicheGewinde geschraubt werden.

Je nach Anwendungsbereich, Art der mechanischen Be-anspruchung und Korrosionsschutzanforderung kommenbeim Fügen von Aluminiumbauteilen oberflächengeschütz-te (im Wesentlichen verzinkte) Stahlschrauben, Schrau-ben aus nichtrostendem austhenitischem CrNi-Stahl undAluminiumschrauben (im Wesentlichen Holzschrauben)zum Einsatz. Es ist zu beachten, dass bei einer auf Kor-rosion beanspruchten Aluminiumkonstruktion die Schraub-verbindung in dieser Hinsicht keine Schwachstelle bildet.Stichworte in diesem Zusammenhang sind: Abdichten vonSpalten, Isolierung von Fügepartnern aus unterschied-lichen Metallen, mindestens gleicher Korrosionswider-stand der Schrauben und der Fügeteile. Einige Schrauben-typen, die sich auch für die Verbindung dünner Bleche eig-nen, sind in Bild 17 dargestellt. Bezüglich Bohrlochdurch-messer und Fügeteildicken sind die Angaben der Her-steller zu beachten.

Arten von gewindeformenden Schrauben (Bild 17)

Gewindeformende Schrauben in Schraubkanälenvon Aluminiumprofilen (Bild 16)

Bohrschraubea) senkrecht zur Pressrichtung des Profilsb) in Pressrichtung

Gewindefurchende Schraube(B-Gewinde nach DIN 7970, Form BZ)

Gewindefurchende SchraubeA-Gewinde, ähnlich Holzschraubengewinde

a)b)

22


Gewindeeinsätze in Form von gewickeltem Federdrahtoder Buchsen eignen sich für Reparaturen oder zum häu-figen Lösen und Anziehen der Schrauben. Sie verbesserndie Wirksamkeit der Verbindung hinsichtlich übertragba-rer Beanspruchungen.

9.1.3 Schnappverbindungen

Bei dieser für Aluminium-Strangpressprofile typischen Artder Verbindung wird die Federwirkung des Werkstoffs imelastischen Bereich ausgenutzt. Meistens sind die Ver-bindungen wieder lösbar. Je nach Umgebung ist auf Spalt-und Kontaktkorrosion zu achten. Einige Arten von Schnapp-verbindungen sind in Bild 18 anderen profiltypischenVerbindungsmöglichkeiten gegenübergestellt.

9.1.4 Verbinden durch Umformen

Jedes Umformverfahren lässt sich auch zum Herstelleneiner Verbindung einsetzen, wobei im Wesentlichen diehandwerklichen Verfahren wie Falzen, Bördeln und Sickenvon den industriell angewendeten Verfahren wie Spreizen,Aufweiten, Einrollen, Umschließen und Durchsetzfügen zuunterscheiden sind. Einige Techniken eignen sich beson-ders für Bleche (z.B. Falzen und Durchsetzfügen auchClinchen); die restlichen besser für Rohre und Profile.

Diese Verbindungen sind ohne Zerstörung nicht lösbar.Durch die Notwendigkeit der plastischen Verformung sindbesondere Werkstoffeigenschaften (keine harten oder aus-gehärteten Zustände) erforderlich; beim Zusammenbaumit Fremdwerkstoffen ist auf die Gefahr von Spalt- oderKontaktkorrosion zu achten. Bild 19 zeigt typische Ver-bindungen durch Umformen an dünnwandigen Bauteilen.

Schnappverbindungen und ähnliche Verbindungenzwischen Aluminiumprofilen (Bild 18)

a) bis c): Schnappverbindungen ohne bzw. mit vorangehendemEindrehvorgang. Die Verbindung ist beidseitig belastbar undnicht bzw. nur schwer wieder lösbar.

d) Einhängeverbindung, belastbar nur auf der dem Drehpunktabgewandten Seite.

e) Steckverbindung mit zusätzlichem, äußerlich nicht sichtbaremVerriegelungselement (Wendelfeder e1). Die Verbindung ist zweiseitig gleichermaßen belastbar.

Fügen durch Umformen (Bild 19)

a) Falzen b) Sicken c) Bördeln d) Durchsetzfügen

c) d)

b)a)

a) b)

c)

d) e)

e1)

23

W 1

Merkblatt

Zusatzstab

Wolfram-Elektrode

WIG-Brenner

Schutzgas

SchutzgasmantelHF

Schmelzbad

Drahtelektrode

MG-Brenner

VorschubgerätSchutzgas

AufgespulteDrahtelektrode

Schutzgasmantel

G

10° - 20°

70° - 80°

bei Aluminium nichtnach rechts schweißennach links schweißen

Metall-Inertgas-Schweißen (MIG):Lichtbogen brennt zwischen Werkstück und abschmel-zender Drahtelektrode unter Schutzgasmantel aus in-ertem Gas (Argon, Helium oder Argon-Helium-Gemisch),Schweißstrom ist Gleichstrom, Werkstück dabei amMinuspol (als Kathode). Geeignet für Dicken ab 4 mm, beimMIG-Verfahren mit Impulsüberlagerung ab 2 mm, Bild 21.

Sonderverfahren des Schmelzschweißens:Gasschmelzschweißen (Bild 22) mit Brenngas-Sauerstoff-Flamme unter Verwendung von Flussmitteln, deren Rück-stände restlos entfernt werden müssen. Geeignet für Rein-aluminium und nicht aushärtbare Legierungen (bis 3 % Mg)im Dickenbereich 1 bis 6 mm. Das Verfahren ist heute kaummehr von Bedeutung und wird von keiner anerkanntenZulassungsstelle (z.B. im bauaufsichtlichen Bereich) undKlassifikationsgesellschaft (z.B. Germanischer Lloyd) zu-gelassen.

Metall-Lichtbogenschweißen (Bild 23) mit flussmittelum-mantelten Stabelektroden. Geschweißt wird mit Gleich-strom, Werkstück am Minuspol. Anwendung erfolgt prak-tisch nur für die Reparatur von Aluminium-Gussstücken.

Elektronenstrahlschweißen von Aluminium ist nur imVakuum möglich; die Anwendung ist auf Sonderfälle be-schränkt.

9.2 Schweißen

Schweißen fällt, wie z.B. auch das Löten, in die Kategorie„Fügen durch Stoffvereinigen“. Wichtige Voraussetzungfür eine einwandfreie Schweißverbindung zwischen Alu-miniumbauteilen ist die Beseitigung der Oxidschicht, diesich unter Einfluss des Luftsauerstoffes spontan aufAluminiumoberflächen bildet. Dies kann unterschiedlicherfolgen: auf chemischem Wege durch Flussmittel, durcheinen Lichtbogeneffekt beim Schweißen unter Schutzgas,durch Pressschweißen bei Oberflächenvergrößerungunter Luftabschluss (z.B. in Überlappungen) oder durchHerausquetschen der ursprünglichen Oberflächenzonebei Stumpfschweißungen.

9.2.1 Schmelzschweißen

Beim Schmelzschweißen werden die Fügeteile unterZusatz eines Schmelzwerkstoffes miteinander verbunden.Vorwiegend angewendet werden die Lichtbogen-Schutz-gas-Schweißverfahren. Nicht alle Aluminiumlegierungensind zum Schmelzschweißen geeignet. Dies gilt zumBeispiel für Knetlegierungen des Typs AICuMg undAIZnMgCu. Druckgussstücke nach dem herkömmlichenDruckgießverfahren eignen sich wegen der gießverfah-rensbedingten feinporigen Gaseinschlüsse grundsätzlichnicht für das Schmelzschweißen. Bei für das Schmelz-schweißen geeigneten Aluminiumlegierungen ist auf denrichtigen Schweißzusatz (Schweißzusatzwerkstoff) zuachten. Schweißzusätze sind nach DIN 1732 genormt.

Die grundlegenden Arten beim Schmelzschweißen sind:

Wolfram-Inertgas-Schweißen (WIG):Lichtbogen brennt zwischen Werkstück und nicht ab-schmelzender Wolframelektrode unter Schutzgasmantelaus inertem Gas (meist Argon). Schweißstrom ist Wechsel-strom, der Zusatzwerkstoff wird stromlos zugeführt. Ge-eignet für Dickenbereich 1 bis 6 mm, beidseitig gleichzei-tiges Schweißen bis 12 mm (Bild 20).

Wolfram-Inert-Gasschweißen (WIG) (Bild 20) Gasschmelzschweißen (Bild 22)

Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) (Bild 21)

HF

24


Schmelzbad

Umhüllung

Kerndraht

G

Laserstrahlschweißen.Seine verfahrensspezifischen Vorteile sind unter anderem:geringe Wärmeeinbringung, geringer Bauteilverzug, hoheSchweißgeschwindigkeit.

Reibrührschweißen.Beim Reibrührschweißen (Friction Stir Welding FSW) wer-den durch einen rotierenden Stift zwei Platten durch me-chanisches „Rühren“ verbunden. Dieser Prozess läuft beiTemperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Plattenab.

9.2.2 Pressschweißen

Beim Pressschweißen werden Fügeteile ohne Schweiß-zusatz miteinander verbunden.

Kaltpressschweißen (KPS) erfolgt unter hohem Druck beiVergrößerung der Berührungsfläche und wird für Stumpf-und Überlappverbindungen verwendet. Ein unter „KPS“patentiertes Verfahren ermöglicht es, Aluminium- Strang-pressprofile durch Kaltpressschweißen an ihren Längs-kanten zu verbinden. KPS basiert auf dem Nut-Feder-Prinzip und ist daher nur am Strangpressprofil wirt-schaftlich durchführbar. Der Kaltpressschweißeffekt stelltsich an den feinen Rippen der Oberfläche der „Feder“ ein,die mit Übermaß in die Nut gedrückt wird (Bild 24).

Ultraschallschweißen (Bild 25) ist eine Variante desKaltpressschweißens. Dabei erfolgt zusätzlich zum (er-heblich geringeren) Anpressdruck eine oszillierende Rela-tiv-Bewegung der Fügeteile, die durch in mechanischeBewegung umgewandelte Hochfrequenzschwingungen er-zeugt wird. Durch Ultraschallschweißen kann Aluminiumauch mit anderen Metallen und Nichtmetallen verbundenwerden.

Warmpressschweißen hat nur als Reibschweißen einegewisse Bedeutung; außerdem beim Walzplattieren in derHalbzeugfertigung. Widerstands-Pressschweißen (Bild 26)erfolgt durch örtliches Anschmelzen der Teile über Wider-standserwärmung mit direkt anschließendem Stauchen.

Abbrenn-Stumpfschweißen (Bild 27). Die zu verbindendenQuerschnitte sollen gleiche Form und gleiche Quer-schnittsfläche haben. Nach dem Abbrennvorgang (Erwär-men der Stoßstelle und Zerstörung der Oxidhaut im Licht-bogen) werden die Fügeteile aneinandergestaucht. DerFestigkeitsabfall in der Verbindungszone ist gering.

Hochfrequenzschweißen dient der kontinuierlichen Her-stellung längsnahtgeschweißter dünnwandiger Rohre ausAluminiumband. Das im Rollensatz zum Rohrquerschnittgeformte Band wird an den Fügekanten durch Hochfre-quenzströme bis zum Anschmelzen erhitzt. Durch Druck-rollen werden die erhitzten Kanten miteinander verpresst.

Grundform des KPS-Verfahrens (Bild 24)

Metall-Lichtbogenschweißen (Bild 23) Ultraschallschweißen (Bild 25)

1) Hochfrequenzgenerator, 2) Schallkopf, 3) Schwinger, 4) Rüssel, 5) Druckluftzylinder, 6) Druckstempel, 7) Amboss

1 3

5

6

74

2(Schema)

Feder

Nut

25

W 1

Merkblatt

9.3 Löten

Bei Aluminiumwerkstoffen spricht man von Hartlöten,wenn die Schmelztemperatur des Lotes über 450 °C (beiVerwendung des Lotes L-AISi12 ca. 600 °C) liegt, unter-halb 450 °C vom Weichlöten.

9.4 Kleben

Aluminiumwerkstoffe eignen sich gut für die Anwendungder Metallklebetechnik. Wichtigster konstruktiver Grund-satz ist, dass Klebverbindungen nur auf Schub bean-sprucht werden sollten. Zu vermeiden ist schälende oderZugbeanspruchung. Klebverbindungen sind daher meistÜberlapp- oder Steckverbindungen (Überlappungslängeca. das Zehnfache der Materialdicke). Je nach Anspruchan die Festigkeit der Verbindung ist die Rauhigkeit derOberfläche und ihre Klebtauglichkeit mehr oder wenigerzu vergrößern: Aufrauhen, gründliches Entfetten, Beizenoder Anodisieren ohne Verdichten. Der Aufwand für eineordnungsgemäß ausgeführte Klebverbindung ist nichtgeringer als für andere Fügeverfahren. Die Vorteile desKlebens sind neben günstiger Spannungsverteilung, dassder Fügeteilwerkstoff nicht oder nur geringfügig durchWärme verändert wird und dass anodisierte Teile ohneBeeinträchtigung des Aussehens oder der Schutzwirkungverklebt werden können.

Lichtbogen-BolzenschweißenBolzenschweißen dient der Verbindung von (Gewinde-)Bolzen mit ebenen Metallflächen. Man unterscheidet zweiVerfahren: Bolzenschweißen mit Spitzenzündung (Bild 28a),und Bolzenschweißen mit Hubzündung (Bild 28b). Bolzen-schweißen mit Spitzenzündung ist ein wichtiges Verfahrenfür die Befestigung dünner, einseitig anodisierter (elo-xierter) oder beschichteter Bleche, da nur sehr begrenz-te Erwärmung auftritt. Anwendung: Fassadenbau, Fahr-zeugbau, Weißwarenindustrie.

Abbrennstumpfschweißen (Bild 27)

I und II Klemmbackenpaare,A und B Schweißteile, 1 Bindezone

Widerstands-Pressschweißen (Bild 26) Bolzenschweißen (Bild 28)

a)

b)

A

V

A

V

a)

b)

1

A B

26


10. Oberflächenbehandlung, Oberflächenschutz

Aluminium verfügt durch die Oxidschichtbildung übereinen im chemisch neutralen Bereich hervorragendenSelbstschutz, der für eine Vielzahl von Anwendungen aus-reichend ist. Zusätzliche Maßnahmen sind jedoch not-wendig, um die vielfältigen Anforderungen zu erfüllen, diein der Praxis an Aluminiumoberflächen gestellt werden.Es sind dies Forderungen wie: dekorativ (metallisch, far-big), korrosionsbeständig, verschleißfest. Oberflächen, diediesen Eigenschaften auch in verschiedenen Kombina-tionen gerecht werden, lassen sich durch eine Reihe vonOberflächenbehandlungsverfahren erzeugen. Allen Ver-fahren der Erzeugung von Oberflächenschichten, dem Be-schichten von Aluminium oder dem Aufbringen von Über-zügen aus einem anderen Metall ist gemeinsam, dass dienatürliche Oxidschicht die Behandlung stört. Durch Ent-fetten und Beizen erhält man die erforderliche metallischblanke Aluminiumoberfläche mit gleichmäßiger, dünnerOxidschicht. Diese sorgfältig durchgeführte Oberflächen-vorbehandlung ist eine entscheidende Voraussetzung fürdie Herstellung einwandfreier organischer oder anorga-nischer Schichten.

10.1 Mechanische Oberflächenbehandlung

Die mechanische Oberflächenbehandlung durch Schleifen,Bürsten und Polieren gestattet es, Aluminiumoberflächennicht nur unterschiedlicher Rauhigkeit, sondern auch mitunterschiedlich dekorativem Aussehen herzustellen. Spe-zielle Oberflächeneffekte sind möglich. Gussstücke erhal-ten eine saubere, einheitliche Oberfläche durch Strahlen.Die Herstellung definierter Metalloberflächen durch mecha-nische Oberflächenbehandlung ist für viele VerfahrenBasis einer weiteren Oberflächenbehandlung.

10.2 Chemische Oberflächenbehandlung

Ölige oder gefettete Metalloberflächen müssen vor demBeizen entfettet werden, damit in der Folgebehandlung eingleichmäßiger Beizangriff stattfinden kann. Die Entfettungerfolgt ohne wesentlichen Materialabtrag über organischeLösungsmittel, in alkalischen oder in sauren Lösungenoder - wenn eine bestimmte Mattierung der Oberflächegewünscht wird - in Spezialbeizen. Chemisches Glänzenist bei Glänzwerkstoffen (Aluminium mit 99,9 % Reinheit,Aluminiumlegierungen auf Basis AI 99,85) möglich. Derdurch chemische Oberflächeneinebnung in heißen Glänz-lösungen erzielbare Glanzeffekt steigt mit dem Rein-heitsgrad des Werkstoffes. Meist ist vorhergehendesmechanisches Polieren erforderlich. Geglänzt werdenkann auch auf elektrolytischem Wege. Die geglänzteOberfläche ist sehr empfindlich, so dass zur Erhaltung desGlanzes ein anschließendes Anodisieren üblich ist. DurchTiefätzen werden erhabene oder vertiefte Schriftzüge,Linien, Flächen und Symbole durch örtliches chemischesAbtragen von Aluminium gebildet.

Teile mit filigranen Formen können aus dünnen Blechenherausgeätzt werden (Konturätzen). Die Herstellung vonFormteilen mit großen, flächigen Vertiefungen parallel zurBlechoberfläche erfolgt durch chemisches Fräsen (Flug-zeugbau).

10.3 Chemische Oxidation

Durch das Chromatieren nach DIN 50939 bzw. EN 12487wird die gebeizte Aluminiumoberfläche chemisch oxidiert.Es bilden sich anorganische Schichten, die verfahrensbe-dingt aus Oxidhydraten oder Phosphaten des Aluminiumsund des Chroms bestehen und gelb beziehungsweise grüngefärbt sind, aber auch transparent sein können. Die etwa1 bis 3 µm dicken Schichten bieten einen temporärenKorrosionsschutz und dienen als Haftgrund für organischeBeschichtungen.

Das Phosphatieren ergibt grau gefärbte Schichten. DieseSchichten können auch angewendet werden, um beimUmformen die Einlauf- und Gleiteigenschaften zu verbes-sern.

10.4 Anodische Oxidation

Ein durch mechanische oder chemische Oberflächen-behandlung erzieltes dekoratives Aussehen kann durchanodische Oxidation dauerhaft konserviert werden. DieVerfahren der anodischen Oxidation gestatten es, in ge-eigneten Elektrolyten Oxidschichten mit einer im Vergleichzur natürlichen Oxidschicht 200- bis 2 000-fachen Schicht-dicke herzustellen. Diese anodisch erzeugten Oxidschich-ten sind mit dem Aluminium fest verbunden und geben dieOberflächenstruktur der ursprünglichen Metalloberflächeunverändert wieder. Verfahrens- und legierungsabhängigkönnen durchsichtige oder auch milchig-opake Oxid-schichten erzeugt werden, die hart und abriebfest sind undeine gute elektrische Isolierfähigkeit besitzen. Durch einenanschließenden Verdichtungsprozess in entmineralisier-tem Wasser bei > 96 °C erhalten diese Schichten eine hoheKorrosionsbeständigkeit. Eine weitere bedeutende Schicht-eigenschaft ist ihre Färbbarkeit. Die heute überwiegend im Gleichstrom-Schwefelsäure(GS-) oder im Gleichstrom-Schwefelsäure-Oxalsäure-(GSX-)Verfahren anodisch er-zeugten Oxidschichten werden mit organischen bezie-hungsweise anorganischen Farbstoffen (Tauchfärbung)oder elektrolytisch in Metallsalzlösung (elektrolytischeFärbung) gefärbt. Oxidschichten mit einer werkstoffab-hängigen Eigenfärbung erhält man durch Farbanodisation.Eine Erweiterung der Farbpalette bieten kombinierteFärbeverfahren. Anforderungen, die an anodisch oxidier-tes Halbzeug mit Schichtdicken > 10µm gestellt werden,enthält DIN 17611. Bei transparenten Oxidschichten aufpolierten oder geglänzten Oberflächen nimmt der Anteilan gerichteter Reflexion mit zunehmender Schichtdicke ab.Oxidschichten mit einer Dicke von über 30 µm werdendurch Hartanodisation erzeugt (vgl. 10.6).

27

W 1

Merkblatt

10.5 Beschichtete Oberflächen

Die Beschichtung von Aluminium erfolgt unter dekorativenund korrosionstechnischen Aspekten. Beschichtungsstoffebieten eine breite Farbpalette für die Oberflächenge-staltung. Sie übernehmen gleichzeitig eine korrosions-schützende Funktion, da sie stärkeren chemischen Korro-sionsbeanspruchungen widerstehen. Die an die Beschich-tung gestellten Anforderungen bestimmen die Wahl desBeschichtungssystems. Vor der Beschichtung muss einesorgfältige Oberflächenvorbehandlung durch Chromatierengemäß DIN 50939 bzw. EN 12487 vorgenommen oder eineGrundierung mit aktiven Korrosionsschutzpigmenten auf-gebracht werden. Dadurch wird der notwendige Haftgrundgeschaffen, der gleichzeitig auch eine korrosionsschüt-zende Wirkung hat. Da Beschichtungsstoffe nicht Wasser-dampf-diffusionsdicht sind, kommt es ohne die haftver-mittelnde und korrosionsinhibierende Zwischenschicht zueiner Reaktion Wasserdampf/Aluminium mit dem Ergebniseines Abhebens der Beschichtung (Blasenbildung).

10.6 Verschleißfeste Oberflächenschichtenauf Aluminium

An verschleißfeste Oberflächenschichten werden beson-dere Anforderungen hinsichtlich Schichtdicke, Härte undVerschleißfestigkeit gestellt. Das Hartanodisieren kann beieiner Vielzahl von Knet- und Gusslegierungen angewen-det werden. Die erzeugten Oxidschichten von 30 µm bis zu150 µm Dicke besitzen eine über den Schichtquerschnittgleichmäßig hohe Härte und Abriebfestigkeit. Je nachSchichtdicke und Werkstoff ergibt sich eine graubraune bisschwarze Färbung. Sind Maßtoleranzen einzuhalten, kön-nen die Hartoxidschichtenauf Maß geschliffen oder geläpptwerden.

10.7 Metallüberzüge

Für technische und dekorative Zwecke werden auf Alu-minium andere Metalle galvanisch abgeschieden, wie vor-zugsweise Kupfer, Nickel und Chrom oder auch Edel-metalle. Voraussetzung für festhaftende Metallüberzügeist die Aluminiumoberflächenvorbehandlung in einerZinkat- oder Stannatbeize. Die erzielbaren Eigenschaftendes Metallüberzuges ergeben sich metallspezifisch. Be-sonders hohe Verschleißfestigkeiten lassen sich durch dieAbscheidung von Dispersionsschichten erzielen. Dieseenthalten Hartstoffe wie Metallcarbide, Oxide undDiamant, die im Elektrolyten im Schwebezustand gehal-ten und bei der Metallabscheidung mit in die Schicht ein-gebaut werden. Verschleißfeste Oberflächenschutzschich-ten für hochbeanspruchte Bauteile werden mit thermi-schen Spritzverfahren erzeugt.

Als Beschichtungsmaterial dienen metallische und nicht-metallische Hartstoffe wie Metalllegierungen, -carbide,-silicide und -oxide.Je nach Verfahren wird das Spritzpulvermit unterschiedlichen Temperaturen aufgeschmolzen:

Flammspritzen (1 750 bis 3 100 °C), Flammschockspritzen(ca. 3 000 °C), Plasmaspritzen (ca. 25 000 °C).

Die erzielbaren Schichteigenschaften müssen im Einzel-fall geprüft werden.

11. Anwendung von Aluminium

Aluminium ist ein Gebrauchsmetall, das in viele Bereichedes täglichen Lebens Eingang gefunden hat. Die wichtig-sten Anwendungen sind in Bild 29 dargestellt. Die nach-folgende stichwortartige Übersicht über einige gängigeProdukte und Systeme erhebt keinen Anspruch auf Voll-ständigkeit.

Transport und Verkehr:Luft- und Raumfahrzeuge, Schienen- und Straßen-fahrzeuge, Kraftfahrzeug-Kennzeichen, Kühler, Räder,Spaceframe (Audi A2, A8), Wasserfahrzeuge, Container,Kleinbehälter, Kühlbehälter, Transporthilfen, Verkehrs-schilder, mechanische Aufstiegshilfen (Bergbahnen). Bauwesen: Tragwerke für Hallen und Zelte, Gerüste, Krane, Brücken,Maste, Fassaden, Dächer, Decken, Fenster, Türen, Bau-beschläge, Vitrinen, Beleuchtungskörper, Reflektoren,Schilder, Heizkörper, Verbundrohre. Maschinenbau und Feinmechanik:Zylinderblöcke und -köpfe, Kolben, Lager, Pleuel, Riemen-scheiben, Handräder, Führungsbahnen, Maschinentische,innerbetriebliche Fördersysteme, optische Geräte, Pneu-matikzylinder, Messgeräte, Büromaschinen, Offset- Druck-platten.Elektrotechnik:Freileitungen und Zubehör, Leiter und Mäntel von Kabeln,Stromschienen, Kurzschlussläufer-Käfige, Wicklungen,Kühlrippen, Bonddrähte, Antennen, Kondensatoren, Ge-häuse. Chemischer Apparatebau und Nahrungsmittelindustrie:Lager- und Transportbehälter, Wärmeaustauscher, Arma-turen, Wärmetauscher, Klimaanlagen, Pumpen, Arbeits-tische.Küche, Haushalt und Metallwaren: Küchengeschirr undKüchenmaschinen, Haushaltgeräte, Bestecke, Camping-artikel, Leitern, Kletterhaken und Karabiner. Verpackung:Folie, Kapseln, Tuben, Dosen, Röhrchen, Flaschen, Be-hälter, Fässer, Verschlüsse, Verbunde (Tetra Pack). Kunstgewerbe:Schmuck, Kunstguss, Plaketten, Münzen. Aluminium-Pulver:Als Pigment für Farben und Kunststoffe; für Alumino-thermie und Sinterformteile. Aluminiumgrieß:Füllstoff für Kunststoffe, Katalysator für chemische Indus-trie; Sondererzeugnisse als Strahlmittel.Aluminiumgranalien:Für Stahl-Desoxidation.

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Die wichtigsten Anwendungen von Aluminium in Deutschland (Bild 29)

Voraussetzung für die hohen dynamischen Fähigkeiten von Linear-roboternist die Verwendung leichter und steifer Aluminium-Strang-pressprofile für die Achsmodule. Zum Transport dient hier einRundschienensystem, bei dem eine Rundstange in einem Alu-minium-Halteprofil mit zwei Klipps-Profilen befestigt ist.

Aluminium im Maschinenbau

29

W 1

Merkblatt

Dieselleichttriebzug RegioSprinter

Aluminium-Space-Frame (ASF) als Tragstruktur der Ganzaluminium-Karosserie für das Serienautomobil

Fahrräder mit Aluminiumrahmen, wie das faltbare Mercedes-Benz-Rad sind heute vielfach Standardprodukte.

Die ICE-Mittelwagen sind aus bis zu 800 mm breiten und über 23 m langen Aluminium-Strangpressprofilen geschweißt.

Aluminium im Verkehr

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Estado do Luz (Stadion des Lichts) in Lissabon: Geschwungene Aluminium-Dachflächen und hoch aufsteigende Stahlbögen erinnern anBlütenstände und vermitteln eine spielerische, publikumswirksame Atmosphäre.

Dekorativ und funktional: Kombination von silbern schimmernden Aluminium-Fassaden-verkleidungen und Fensterprofilen am Arbeitsamt Bremerhaven

Aluminium im Bauwesen

Laufwerk

Aluminium-Schaltschränke

Aluminium in der Elektrotechnik

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W 1

Merkblatt

Aluminium in der Verpackung

32


Zwar ist noch nicht absehbar, wann diese Technologiegroßtechnisch verfügbar ist, doch was heute noch einForschungsprojekt ist, kann später einmal „Stand derTechnik“ werden.

12.1.2 Ressourcenschonung und Kreislaufwirtschaft

Ziel eines nachhaltigen Umgangs mit Ressourcen ist es,die Ressourceneffizienz zu erhöhen und nicht erneuer-bare Ressourcen auch für künftige Generationen zu erhal-ten. Zentrale Begriffe lauten hier: Rohstoffschonung, Ein-satz erneuerbarer Energien und Erhöhung der Energie-effizienz, Kreislaufwirtschaft, Minderung von Abfällen undEmissionen.

Der Rohstoff Bauxit: Die aus heutiger Sicht wirtschaftlichabbauwürdigen Bauxitvorkommen sichern den Verbrauchfür rund 200 Jahre.1 Die durch den Abbau freigesetztenErdschichten werden im Sinne einer nachhaltigen, um-weltgerechten Entwicklung für eine spätere Rekultivie-rung zwischengelagert, um nach beendeter Nutzung dieMinenareale wieder abzudecken. Rund 70 Prozent derBauxitabbauflächen werden wieder mit der ursprünglichenVegetation aufgeforstet, weitere 20 Prozent für forst- undlandwirtschaftliche Zwecke erschlossen. Die verbleiben-den zehn Prozent werden für Erholungs-, Wohn- undGewerbegebiete genutzt und dienen damit der sozialenbeziehungsweise wirtschaftlichen Entwicklung.2

Energie: Die Aluminiumindustrie greift in besonderemMaße auf CO2-freie Energien zurück. So erfolgt die Strom-versorgung der Aluminiumhütten weltweit zu mehr als 50Prozent durch den erneuerbaren Energieträger Wasser-kraft.

Die sich im Umlauf befindenden Mengen an Recycling-metall nehmen stetig zu. Dies schont wertvolle Ressour-cen und spart zugleich Energie, denn der Energieeinsatzfür das Recycling ist bis zu 95 Prozent niedriger als bei derPrimärherstellung.

Ausdruck eines effizienten Energieeinsatzes ist zumBeispiel das Fernwärmeprojekt des weltgrößten Alumini-umwalzwerkes Alunorf in Nordrhein-Westfalen. Durch dieNutzung der Abwärme aus der Abgasreinigung von 13Schmelzöfen wird ein wenige Kilometer entferntes Neu-baugebiet für 6 500 Menschen mit Wärme versorgt. DieMaßnahme substituiert bis zu 3,9 Millionen KubikmeterErdgas und vermeidet so rund 10 000 Tonnen Kohlendioxidpro Jahr.

12. Aluminium im Zusammenhang mit Ökologie und Gesundheit

12.1 Aluminium und Ökologie

Klimavorsorge und Ressourcenschonung sind die beidenherausragenden umweltpolitischen Ziele unserer Zeit.Aus ihnen lassen sich eine Reihe konkreter Forderungenableiten - wie der effiziente Einsatz von Energie, die Min-derung von Emissionen und Abfällen, das Recycling, dieEntwicklung neuer umweltverträglicher und kreislauf-fördernder Materialien, Produkte und Produktionsver-fahren. Letztlich geht es um den Schutz der Ökosystemeund der menschlichen Gesundheit sowie um eine zu-kunftsgerechte Entwicklung, die die Interessen zukünfti-ger Generationen wahrt.

12.1.1 Klimaschutz

Die Minderung von Treibhausgasen gehört zu den priori-tären Zielen einer auf Klimavorsorge und Schutz der Erd-atmosphäre angelegten Umweltpolitik. Dabei kommt derVerbesserung der Energieeffizienz und der Reduzierungklimarelevanter Gase eine zentrale Bedeutung zu. Diedeutsche Aluminiumindustrie hat auf diesen Gebieten seitvielen Jahren erhebliche Anstrengungen unternommen:z.B. die Reduzierung des Energieeinsatzes im Laufe derletzten Jahrzehnte von durchschnittlich 21 Kilowatt-stunden Strom je Kilogramm Hüttenaluminium auf derzeit15 kWh - das ist eine Einsparung um immerhin fast 30Prozent. Mittlerweile sind Elektrolyseöfen in Betrieb, dieauf Spitzenwerte von unter 13 kWh kommen. SoweitKlimagase bei der Erzeugung von Hüttenaluminium auf-treten, handelt es sich neben Kohlendioxid vor allem umdie Spurengase CF4 und C2F6. Auch hier hat die Branchedeutliche Erfolge erzielt. Die fünf deutschen Alumini-umhütten haben im Rahmen einer freiwilligen Selbstver-pflichtung die Emissionen dieser Spurengase seit 1990 um85 Prozent reduziert. In Kohlendioxid umgerechnet bedeu-tet dies allein für das Jahr 2000 eine Reduzierung um rundzwei Millionen Tonnen gegenüber 1990. Auf diese Weisewurden mit marktkonformen Instrumenten ökologischeFortschritte erzielt, ohne den Unternehmen staatlich vor-zugeben, wie die gesteckten Ziele zu erreichen sind. Einsolcher Weg vermeidet die Verschwendung volkswirtschaft-licher Ressourcen und fördert zugleich Innovationen undtechnischen Fortschritt.

Beleg dafür sind auch die Entwicklungsarbeiten der Aluminiumproduzenten an der so genannten „inertenAnode“, die auf die Verwendung kohlenstofffreier und sichnicht verbrauchender Materialien zielt. Durch die inerteAnode könnten Studien zufolge 60 bis 80 Prozent der pro-zessbedingten Treibhausgasemissionen verringert unddie Entstehung von CF4 und C2F6 vollständig unterbundenwerden. Mit der inerten Anode ließen sich zudem Fluorid-und Staubemissionen noch weiter verringern.

1) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe und Staatliche Geo-logische Dienste in der Bundesrepublik Deutschland: GeologischesJahrbuch (Sonderhefte)-Stoffmengenflüsse und Energiebedarf bei der Ge-winnung ausgewählter mineralischer Rohstoffe - Teilstudie Aluminium,1998.

2) International Aluminium Institute, „Second Bauxite Mine RehabilitationSurvey “, London, Juli 2000

33

W 1

Merkblatt

Minderung von Emissionen und Abfällen: Dort, wo Kreis-läufe nicht geschlossen werden können und Reststoffeanfallen, ist das Ziel einer nachhaltigen Produktions- undKonsumweise, Abfälle auf ein Minimum zu beschränken,Deponieraum möglichst wenig zu beanspruchen und womöglich, sekundäre Verwertungsmöglichkeiten von Rest-stoffen zu finden. Wie das Aufkommen mineralischerAbfälle reduziert werden kann, lässt sich am Beispiel derElektrolyseöfen im Hüttenprozess zeigen: So konnte dieOfenhaltbarkeit bei der größten deutschen Alumini-umhütte seit 1975 um 150 Prozent erhöht werden - mit derFolge, dass nun deutlich weniger Ofenausbruch anfällt alsin früheren Jahren.

Eine umweltgerechte Entwicklung verlangt auch dieMinderung des Schadstoffaustrags durch Produktions-abläufe, die die Gesundheit der Menschen und die An-passungsfähigkeit der natürlichen Umwelt gefährden kön-nen. Die Optimierung von Produktionsverfahren und dieErrichtung von Umweltschutzanlagen hat in Deutschlandeinen Stand erreicht, der in der Welt vorbildlich ist. Diestrifft auch für den anlagenbezogenen Umweltschutz derAluminiumindustrie zu.

12.2 Aluminium und Gesundheit

12.2.1 Aluminiumverbindungenund Nahrungsaufnahme

Mit Aluminium in seinen unterschiedlichsten chemischenErscheinungsformen, sei es als natürliche Aluminiumver-bindungen, Gebrauchsgegenstände oder als industriellhergestellte Lebensmittelzusätze, kommt jeder in Kontakt.Aluminium-Getränkedosen, Töpfe, Pfannen und Verpa-ckungsfolien sind längst selbstverständliche Bedarfs-gegenstände unseres täglichen Lebens geworden, doch istweitestgehend unbekannt, dass Aluminiumverbindungenauch von Natur aus in fast allen pflanzlichen und tierischenLebensmitteln enthalten sind.

Aluminium ist Bestandteil nahezu aller Gesteine undBöden, jedoch nicht in metallischer Form. In der Natur fin-det man Aluminium nur in Verbindung mit anderenElementen, vorwiegend mit Sauerstoff. Aufgrund derBodenerosion gelangen Aluminiumverbindungen mit denStäuben in die Atemluft oder werden im Oberflächen-wasser bzw. im Grundwasser gelöst. Dies hat zur Folge,dass Aluminiumverbindungen von Pflanzen und Tierenaufgenommen werden und über die Nahrungskette auchden Menschen erreichen.

Trotz seiner weiten Verbreitung in der unbelebten Naturkommt Aluminium in biologischen Systemen meist nur inSpuren vor. Für das Funktionieren von Stoffwechsel- undWachstumsprozessen wird Aluminium nach derzeitigemWissensstand nicht benötigt. Verschiedene Aluminium-verbindungen werden als Nahrungszusatz verwendet oder zur Trinkwasseraufbereitung genutzt.

Recycling: Der wirtschaftliche Wert des Aluminiums hat es seit jeher lohnend gemacht, den Werkstoff im Kreis-lauf von Metallgewinnung, -verarbeitung, -nutzung und -rückgewinnung zu führen. Im Gegensatz zu vielen anderenWerkstoffen treten beim Recycling keine Qualitätsverlusteauf. Aus Profilschrotten lassen sich neue Profile oderandere hochwertige Produkte herstellen, aus Aluminium-blechen und -folien kann neues Walzmaterial gefertigtwerden. Das im Umlauf befindliche Recyclingmetall wächstdaher stetig. Die Aluminiumindustrie kann mithin als Kreis-laufwirtschaft auf hohem Niveau gelten und Aluminium als„erneuerbarer Werkstoff“ mit „nachwachsenden Rohstof-fen“ gleichgesetzt werden. Aluminium wird eben nicht„verbraucht“, sondern „genutzt“.

Die Ressourcenschonung beginnt mit geschlosseneninternen Verwertungskreisläufen. Wo bei der Verarbeitungvon Aluminium Fabrikationsschrotte anfallen, werden sievollständig in den Produktionsprozess zurückgeführt.Interne Produktionskreisläufe erstrecken sich in derAluminiumindustrie zudem auf die Betriebs- und Hilfs-stoffe. So werden beispielsweise Kernsande für die imSandgussverfahren benötigten Gießformen für Motor-blöcke und Zylinderköpfe, Walzöle der Halbzeugfertigungund Lösemittelrückstände der Lackierprozesse von Folienim Kreislauf geführt. Auch die beim Recycling eingesetz-ten Salze, mit denen Verunreinigungen von Schrotten ge-bunden werden, gewinnen die Betriebe wieder zurück.Interne Verwertungskreisläufe ermöglichen so, dass Res-sourcen nachhaltig genutzt werden können. Sie mindernauf diese Weise Eingriffe in den Naturhaushalt und ent-lasten Deponien.

Unabhängig hiervon sorgt eine seit Jahrzehnten gut funk-tionierende Recyclingindustrie für die Wiedergewinnungvon Aluminium - zum Beispiel aus dem Verkehrs-, Bau-und Verpackungssektor. Mit einer Produktion von rund 620 000 Tonnen, das sind 49 Prozent der Gesamtproduk-tion, gehört die deutsche Aluminium-Recyclingindustriezu den Spitzenreitern in Europa. Die Recyclingrate beträgtim Verkehrssektor rund 95 Prozent, im Bausektor liegt siebei 85 Prozent. Das Recycling von Verpackungen konntedurch den Aufbau des Dualen Systems auf eine neue Stufegestellt werden. Die flächendeckende Erfassung, Sortie-rung und Verwertung von gebrauchten Verpackungen hatdazu geführt, dass Aluminiumverpackungen inzwischenzu rund 80 Prozent wieder verwertet werden.3 Durch denEinsatz moderner Sortiertechnik ist es mittlerweile mög-lich, Aluminium auch aus Verbundmaterialien bis hin zurKaffeetüte zurückzugewinnen. Bei allen Anstrengungenund Erfolgen auf diesem Sektor gilt aber auch, dass einhundertprozentiges Recycling dem Leitbild einer nach-haltigen Entwicklung nicht immer entsprechen muss. DerAufwand zur Erfassung selbst der letzten Verpackungs-einheiten stünde in keinem Verhältnis zum erzielbarenNutzen.

3) Quelle: GVM -Gesellschaft für Verpackungsmarktforschung

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Einige Deodorantien oder Arzneien enthalten oder be-stehen vollständig aus Aluminiumverbindungen. Die Auf-nahme dieser Verbindungen - auch in hohen Dosierungen- ist in aller Regel gesundheitlich unbedenklich.

Für eine Vielzahl industriell gefertigter Nahrungs- undHeilmittel wird eine Reihe von Aluminiumverbindungeneingesetzt, unter anderem in Schmerzmitteln, wie z.B.Aspirin, oder gegen Sodbrennen. Als Zusätze in Lebens-mitteln findet man sie in Schmelzkäse und Sauer-konserven genauso wie als Additiv in Zahnpasten undDeodorants. Auch zur Trinkwasseraufbereitung in Klär-werken werden Aluminiumverbindungen als Flockungs-mittel eingesetzt.

Wann immer von Aluminium im Körper die Rede ist, beziehtsich dies auf chemisch gebundenes Aluminium und des-sen lösliche Anteile - nicht auf das Metall. Mit der Nahrung,dem Trinkwasser und Medikamenten sowie durch In-halation von Staubpartikeln führen wir unserem Körperständig Aluminiumverbindungen zu. Hauptsächlich han-delt es sich dabei um unlösliche Aluminiumbestandteile,die vom Körper nicht absorbiert werden. Die Lunge, dieHaut und der Magen-Darm-Trakt wirken als effektiveBarrieren einer Aufnahme in den Blutkreislauf entgegen.

12.2.2 Äußere Anwendungen

Zahlreiche Aluminiumverbindungen werden in Form vonSalben, Cremes oder Lösungen äußerlich auf die Haut auf-gebracht. Die reinigende, antiseptische und desinfizie-rende Wirkung von essigsaurer Tonerde (basisches Alu-miniumazetat) zeigt sich in der Behandlung von Haut-abschürfungen, kleineren Wunden und Verbrennungen.

Das saure Milieu des Magens fördert die Löslichkeit eini-ger Aluminiumverbindungen. Der Aluminiumgehalt vonLebensmitteln variiert beträchtlich, ist in der Mehrzahl derSpeisen jedoch als gering zu erachten. Bei einigen Pflan-zen ist die Neigung, Aluminium zu speichern, deutlich aus-geprägt; Tiere scheiden, wie auch der Mensch, Aluminiumnahezu vollständig wieder aus, so dass pflanzliche Nah-rung in der Regel höhere Aluminiumgehalte aufweist alstierische.

Selbst wenn die konsumierte Nahrung außergewöhnlichhohe Aluminiumgehalte aufweist, wird vom Körper nur einsehr geringer Teil absorbiert. Die in den Blutkreislauf auf-genommene Menge wird durch die Nieren über den Urinrasch wieder ausgeschieden. Sonderfälle sind Dialyse-Patienten und Frühgeburten mit aus anderen Gründen ein-geschränkter Nierenfunktion, da bei ihnen die Fähigkeit,absorbiertes Aluminium aus dem Körper zu entfernen,eingeschränkt ist.

12.2.3 Metallische Aluminiumprodukte

Durch die Verwendung von Aluminiumverpackungen undGeschirr (Töpfe, Pfannen) erhöht sich der Aluminium-gehalt der Füllgüter und Speisen nur geringfügig. EineAusnahme bilden saure Lebensmittel und Getränke, diedirekten Kontakt mit unbeschichtetem Aluminium haben.Diese Zusatzbeiträge, deren Höhe vom pH-Wert desFüllgutes und der Kontaktzeit abhängt, können leicht diedurchschnittliche tägliche Zufuhr übersteigen. Beispielefür saure Speisen sind Rhabarber, Tomaten, Kohl, Apri-kosen, Sauerkraut, Zitrussäfte. Eine gesundheitliche Ge-fährdung ist auch in diesen Fällen nicht zu befürchten, dadie rasche Ausscheidung von Aluminium das Erreichenkritischer Konzentrationen im Blutkreislauf verhindert.

12.2.4 Die Alzheimerkrankheit

Die Alzheimerkrankheit tritt vorwiegend erst im höherenLebensalter auf und äußert sich in einem stetigen Abbauder geistigen Funktionen, verbunden mit Wesensver-änderungen bis zur vollständigen Unfähigkeit, die Be-dürfnisse des täglichen Lebens zu organisieren.

Nach dem derzeitigen Forschungsstand liegen keineschlüssigen Beweise vor, das Aluminiumverbindungenursächlich am Krankheitsgeschehen beteiligt sind.

Aluminium ist nur ein Aspekt unter vielen, der bei derUrsachenforschung der Alzheimerkrankheit untersuchtwird. Diskutiert werden unter anderem:

■ Genetische Faktoren■ Krankheitserreger oder virusähnliche Strukturen■ Toxine■ Stoffwechselstörungen■ Neurochemische Störungen■ Einfluss von Kopfverletzungen

In letzter Zeit sprechen viele Indizien dafür, dass geneti-sche Defekte das Ausbrechen der Krankheit wesentlichmitbestimmen.

Die Ursache der Alzheimerkrankheit ist nach wie vor unbe-kannt. Es gibt keine wissenschaftliche Studie, die vomGebrauch von Aluminiumprodukten, sei es in Form vonGeschirr oder Verpackung, abrät. Durch den Einsatz vonAluminium für Verpackungen und Behälter wird diemenschliche Gesundheit nicht beeinträchtigt. Auch einealuminiumarme Diät kann das Krankheitsbild weder ver-hindern noch positiv beeinflussen.

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Merkblatt

Anhang

Weiterführende LiteraturAluminium-Taschenbuch,Band 1: „Grundlagen und Werkstoffe“16. Auflage, 2002ISBN 3-87017-274-6

Band 2: „Umformen, Gießen,Oberflächenbehandlung, Recycling und Ökologie“,15. Auflage 1. datenaktualisierter Druck 1999,ISBN 3-87017-242-8

Band 3: „Weiterverarbeitung und Anwendung“,16. Auflage, 2003ISBN 3-87017-275-4

Aluminium-Werkstoffdatenblätter,4. Auflage 2004ISBN 3-87017-281-9

Aluminium-Schlüssel / Key to Aluminium Alloys6. Auflage/6th ed., 2003,ISBN 3-87017-273-8

Technische Merkblätter und Broschüren zum Werkstoff Aluminium:aktuelles Verzeichnis unter www.aluinfo.de.

Impressum

HerausgeberGDA - Gesamtverband der Aluminiumindustrie e.V.Am Bonneshof 540474 Düsseldorf

GestaltungSektor GmbH, Düsseldorf

BildnachweisAlcan Singen GmbH, Singen (09, 10, 11, 29)Almatec AG, Schupfheim (CH) (30)Audi AG, Ingolstadt (29)Bombardier Transportation, Hennigsdorf (29)Corus Bausysteme GmbH, Koblenz (11, 30)DaimlerChrysler, Stuttgart (29)Eduard Hueck GmbH & Co. KG (30)GDA, Düsseldorf (31)Linhardt GmbH & Co. KG, Metallwarenfabrik, Viechtach (31)W. Strothmann GmbH + Co. KG, Schloß Holte (28)Western Digital Deutschland GmbH, München (30)Werksbild Siemens AG (29)

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